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)，對于生活熱水的需求也越來越大。集中供熱由于技術成熟、經(jīng)濟性和舒適型優(yōu)點，目前仍然是難以替代的供熱方式。然而對于生活熱水，考慮到經(jīng)濟性、效率和運行維護等因素的影響，多以單戶供應的方式存在，能源供應方式以單一的燃氣和電加熱為主。由于環(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)單位考慮在燃氣和電加熱前采用太陽能集熱裝置進行預加熱。然而太陽能供熱在我國還處于推廣階段，相關利用技術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，多應用于被動式太陽房示范建筑，成本較高，大規(guī)模居民領域應用還沒有展開。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用過程中若維護不當，存在管路凍脹損壞的風險。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)的應用，必須采用優(yōu)化現(xiàn)有防凍措施，設計智能化的控制方式。當夜間室外溫度低或白天光照強度很弱時，調(diào)整太陽能集熱系統(tǒng)水循環(huán)管路，適時啟動循環(huán)泵電加熱輔熱。本研究通過解決目前太陽能集熱技術在北方地區(qū)特別冬季應用時存在的問題，促進和擴大太陽能集熱系統(tǒng)應用范圍，滿足人們對于生活熱水的需求和改善生活質(zhì)量。

二、系統(tǒng)結構與工作原理

如圖1北方小型太陽能集熱控制研究系統(tǒng)結構圖。北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)選用市場上新推出的S7-200 SMART PLC。北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)監(jiān)測部分由多傳感器構成：溫度傳感器負責溫度檢測，監(jiān)測實時室外溫度與管路循環(huán)水溫度；光照度傳感器檢測光照，監(jiān)測光照度是否充足；液位傳感器負責液位檢測，監(jiān)測實時液位情況。

圖1 小型太陽能集熱控制研究系統(tǒng)結構圖

檢測系統(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)境光照度是否達到設定值，如果滿足要求，則系統(tǒng)正常運行；若光照度不足，則集熱裝置加熱溫度達不到預設值，此時對儲水箱進行電熱棒加熱。而管道溫度傳感器負責監(jiān)測供水管道的水溫，若溫度低于預設值，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，特別是深夜熱水需求量較小時，適當排空管道水，防止管道內(nèi)水結冰，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。當溫度傳感器檢測到溫度低于人體舒適溫度值或預設值時，加速供熱循環(huán)泵運轉，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到預設值。PLC主控部分主要是負責完成對系統(tǒng)中溫度、光照度等模擬量檢測以及循環(huán)與集熱水泵、電磁閥等器件的自動控制；觸摸屏人機交互界面用來顯示系統(tǒng)運行的狀況以及測量得到的信息，并完成手動控制系統(tǒng)信息狀態(tài)查詢與控制閾值調(diào)整設定。

三、功能優(yōu)化設計

本研究與設計提出了控制系統(tǒng)的運行方案，對系統(tǒng)運行的可行性進行分析；對控制器I/O口進行合理分配并運用編程PLC軟件完成對控制程序的編寫；利用組態(tài)軟件完成現(xiàn)場人機交互界面HMI的開發(fā)與設置；通過PLC與人機交互界面觸摸屏數(shù)據(jù)通訊運行實時監(jiān)控，驗證了整個系統(tǒng)運行的可行性。

通過對圖1小型太陽能集熱控制研究系統(tǒng)結構圖的介紹，不難發(fā)現(xiàn)北方小型太陽能集熱控制系統(tǒng)有諸多技術優(yōu)勢特點。（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控制系統(tǒng)，適應北方地區(qū)冬季惡劣的氣候；（2）本系統(tǒng)基于工業(yè)領域應用廣泛的PLC通用平臺開發(fā)，運行穩(wěn)定，兼容性強，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，用戶體驗更好；（4）系統(tǒng)通過低溫輔熱和自保護功能可有效提高系統(tǒng)低溫環(huán)境運行性能，使嚴寒工況下的使用壽命明顯優(yōu)于同類系統(tǒng)；（5）基于MCGS的人機交互界面，不僅能對整個系統(tǒng)進行實時監(jiān)視，而且能對系統(tǒng)進行控制，增強了現(xiàn)場監(jiān)控性能優(yōu)化與用戶體驗。

四、結論與展望

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，不會造成環(huán)境上的污染。同時采用電輔助加熱，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)的實際運行狀況及運行數(shù)據(jù)，確定了整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，通過PLC對系統(tǒng)器件的控制完成，在充分利用太陽能資源的基礎上保證了在各種環(huán)境下恒溫供暖的需求。達到了節(jié)能、環(huán)保、穩(wěn)定、效率高等研究目的。