北方小型太陽能集熱系統(tǒng)功能優(yōu)化研究

◎董帥帥 董旭 王偉

一、引言

太陽能是地球分布最廣泛的能源之一，與太陽能光伏發(fā)電利用方式相比，太陽能光熱利用方式在開發(fā)和利用過程中更環(huán)保，越來越受到人們的重視。隨著人們生活水平的提高，在冬季，特別是我國北方廣大地區(qū)，對(duì)于生活熱水的需求也越來越大。集中供熱由于技術(shù)成熟、經(jīng)濟(jì)性和舒適型優(yōu)點(diǎn)，目前仍然是難以替代的供熱方式。然而對(duì)于生活熱水，考慮到經(jīng)濟(jì)性、效率和運(yùn)行維護(hù)等因素的影響，多以單戶供應(yīng)的方式存在，能源供應(yīng)方式以單一的燃?xì)夂碗娂訜釣橹鳌Ｓ捎诃h(huán)境污染和成本的影響，部分生活熱水需求較大的企事業(yè)單位考慮在燃?xì)夂碗娂訜崆安捎锰柲芗療嵫b置進(jìn)行預(yù)加熱。然而太陽能供熱在我國還處于推廣階段，相關(guān)利用技術(shù)多以單體建筑太陽能集熱形式存在，絕大部分為短期蓄熱形式，多應(yīng)用于被動(dòng)式太陽房示范建筑，成本較高，大規(guī)模居民領(lǐng)域應(yīng)用還沒有展開。我國北方特別是東北地區(qū)冬季寒冷，太陽能集熱方式在應(yīng)用過程中若維護(hù)不當(dāng)，存在管路凍脹損壞的風(fēng)險(xiǎn)。這些地區(qū)用戶通常采用排空管路的方式，這又限制了太陽能集熱裝置的推廣和應(yīng)用。若提高和推廣太陽能集熱系統(tǒng)在我國北方地區(qū)的應(yīng)用，必須采用優(yōu)化現(xiàn)有防凍措施，設(shè)計(jì)智能化的控制方式。當(dāng)夜間室外溫度低或白天光照強(qiáng)度很弱時(shí)，調(diào)整太陽能集熱系統(tǒng)水循環(huán)管路，適時(shí)啟動(dòng)循環(huán)泵電加熱輔熱。本研究通過解決目前太陽能集熱技術(shù)在北方地區(qū)特別冬季應(yīng)用時(shí)存在的問題，促進(jìn)和擴(kuò)大太陽能集熱系統(tǒng)應(yīng)用范圍，滿足人們對(duì)于生活熱水的需求和改善生活質(zhì)量。

二、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

如圖1北方小型太陽能集熱控制研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)選用市場(chǎng)上新推出的S7-200 SMART PLC。北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)監(jiān)測(cè)部分由多傳感器構(gòu)成：溫度傳感器負(fù)責(zé)溫度檢測(cè)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)室外溫度與管路循環(huán)水溫度；光照度傳感器檢測(cè)光照，監(jiān)測(cè)光照度是否充足；液位傳感器負(fù)責(zé)液位檢測(cè)，監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)液位情況。

圖1 小型太陽能集熱控制研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

檢測(cè)系統(tǒng)溫度傳感器和光照度傳感器判定環(huán)境溫度、太陽能集熱裝置和環(huán)境光照度是否達(dá)到設(shè)定值，如果滿足要求，則系統(tǒng)正常運(yùn)行；若光照度不足，則集熱裝置加熱溫度達(dá)不到預(yù)設(shè)值，此時(shí)對(duì)儲(chǔ)水箱進(jìn)行電熱棒加熱。而管道溫度傳感器負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)供水管道的水溫，若溫度低于預(yù)設(shè)值，分兩種情況：（1）日間：白天管道溫度較低，則控制集熱循環(huán)泵加速水循環(huán)，提高管道水溫；（2）晚間：溫度較低時(shí)，特別是深夜熱水需求量較小時(shí)，適當(dāng)排空管道水，防止管道內(nèi)水結(jié)冰，凍壞管道，集熱系統(tǒng)熱源僅由電加熱供熱。用戶端溫度傳感器主要是滿足用戶要求。當(dāng)溫度傳感器檢測(cè)到溫度低于人體舒適溫度值或預(yù)設(shè)值時(shí)，加速供熱循環(huán)泵運(yùn)轉(zhuǎn)，加快熱水循環(huán)，提高室內(nèi)溫度。生活用水端溫度傳感器的作用主要是判斷生活用水是否滿足用戶要求或達(dá)到預(yù)設(shè)值。PLC主控部分主要是負(fù)責(zé)完成對(duì)系統(tǒng)中溫度、光照度等模擬量檢測(cè)以及循環(huán)與集熱水泵、電磁閥等器件的自動(dòng)控制；觸摸屏人機(jī)交互界面用來顯示系統(tǒng)運(yùn)行的狀況以及測(cè)量得到的信息，并完成手動(dòng)控制系統(tǒng)信息狀態(tài)查詢與控制閾值調(diào)整設(shè)定。

三、功能優(yōu)化設(shè)計(jì)

本研究與設(shè)計(jì)提出了控制系統(tǒng)的運(yùn)行方案，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的可行性進(jìn)行分析；對(duì)控制器I/O口進(jìn)行合理分配并運(yùn)用編程PLC軟件完成對(duì)控制程序的編寫；利用組態(tài)軟件完成現(xiàn)場(chǎng)人機(jī)交互界面HMI的開發(fā)與設(shè)置；通過PLC與人機(jī)交互界面觸摸屏數(shù)據(jù)通訊運(yùn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的可行性。

通過對(duì)圖1小型太陽能集熱控制研究系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖的介紹，不難發(fā)現(xiàn)北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)有諸多技術(shù)優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。（1）本研發(fā)是適用于北方環(huán)境的民用小型太陽能集熱裝置的自動(dòng)控制系統(tǒng)，適應(yīng)北方地區(qū)冬季惡劣的氣候；（2）本系統(tǒng)基于工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛的PLC通用平臺(tái)開發(fā)，運(yùn)行穩(wěn)定，兼容性強(qiáng)，優(yōu)于傳統(tǒng)同類型供熱系統(tǒng)；（3）系統(tǒng)采用溫壓反饋循環(huán)水泵變頻控制算法使控制更加精確，出水穩(wěn)定，用戶體驗(yàn)更好；（4）系統(tǒng)通過低溫輔熱和自保護(hù)功能可有效提高系統(tǒng)低溫環(huán)境運(yùn)行性能，使嚴(yán)寒工況下的使用壽命明顯優(yōu)于同類系統(tǒng)；（5）基于MCGS的人機(jī)交互界面，不僅能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，而且能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制，增強(qiáng)了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控性能優(yōu)化與用戶體驗(yàn)。

四、結(jié)論與展望

基于PLC控制的北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)利用“光”作為熱能的主要來源，不會(huì)造成環(huán)境上的污染。同時(shí)采用電輔助加熱，保證了供熱系統(tǒng)在不同外部環(huán)境下可以持續(xù)不斷為用戶供熱。針對(duì)北方冬季溫度過低，容易造成集熱系統(tǒng)的凍損問題也給出了具體的解決方案。北方供熱節(jié)能控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為人類在能源利用上提供了新的研發(fā)與利用思路。

通過系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀況及運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定了整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，通過PLC對(duì)系統(tǒng)器件的控制完成，在充分利用太陽能資源的基礎(chǔ)上保證了在各種環(huán)境下恒溫供暖的需求。達(dá)到了節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定、效率高等研究目的。