全智能光伏熱水控制系統(tǒng)

阮文韜 RUAN Wen-tao；任曉娜 REN Xiao-na；陳美榮 CHEN Mei-rong；陳中宇 CHEN Zhong-yu

（成都紡織高等?？茖W校，成都 611731）

0 引言

目前，我國正處在能源綠色低碳化轉型升級的關鍵時期[1]。在能源轉型的過程中，單一的能源品種利用已受到多方制約，儲能與多能互補融合發(fā)展是能源綠色低碳轉型的新方向，也將成為我國“十四五”時期能源的重點發(fā)展方向[2]。構建安全、高效、清潔、低碳的現(xiàn)代化的能源體系，是推動我國能源革命的根本要求，是促進我國社會經濟轉型發(fā)展的迫切需求[3]。

熱水器是每家每戶的必備用品?，F(xiàn)在，市場上的主流熱水器主要以燃氣熱水器為主，太陽能型的熱水器在市場的占比在西部陽光不充足的地區(qū)占比較小。同時，目前在市場上的太陽能加熱系統(tǒng)，普遍存在太陽能資源利用不充分、光伏板轉換效率隨板面溫度升高而降低的情況。

目前我國的熱水器回水系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)具有以下不足點：①回水系統(tǒng)不使用時需要關閉閥門，否則熱水器循環(huán)泵會一直進行加熱，造成資源浪費；如果關閉閥門，下次使用時再打開，需要等待幾分鐘管道內的水才能加熱，就沒有即開即用的效果。此外，末端始終有冷水存在[4]。②混水閥加流量傳感器檢測水量進行恒溫控制，在壓力過小的時候無法點火。

針對上述問題，我團隊針對以上缺點進行互補，將太陽能熱水器與光伏板結合，在發(fā)電同時，利用光伏板所吸收熱量，以水為傳熱介質，儲存熱量作為生活用水。同時通過互聯(lián)網技術，讓手機移動端和總控端結合，對熱水器進行管理達到恒溫效果。從而建立一個契合國家綠色能源發(fā)展的戰(zhàn)略方針，同時運行安全、可靠、穩(wěn)定、高效率的智能光伏熱水控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體設計方案

本系統(tǒng)由發(fā)電與電力轉換，控制與數(shù)據傳輸，信息互聯(lián)三大部分組成?？刂葡到y(tǒng)以PLC為控制核心，太陽能與電熱混合加熱的方式進行加熱，通過PLC控制混水系統(tǒng)與回水系統(tǒng)。在陽光照射過程中，光伏板發(fā)電加熱與熱量集熱方法加熱水箱內水，達到預計溫度，同時通過傳感器采集當前各個點溫度、水位、水壓，由PLC收集所有數(shù)據信息，并經過PLC精密的計算，輸出信號控制各個點的電動閥門，實現(xiàn)溫度恒定。采用手機APP實現(xiàn)遠程控制和操作面板控制兩種功能，并實現(xiàn)實時監(jiān)控并查看系統(tǒng)狀態(tài)。

同時本系統(tǒng)采用手機APP遠程控制或操作面板控制，可以提前設定溫度或臨時設定溫度，做到即開即來，在APP上還可以實時查看系統(tǒng)狀態(tài)，并協(xié)調整個系統(tǒng)的工作，通過有線信息傳輸，智能顯示系統(tǒng)狀態(tài)信息及控制水箱溫度、用戶使用溫度等，并且系統(tǒng)內集成了多個溫度傳感器，以實現(xiàn)精準控溫的目標，讓用戶的體驗感達到最佳。

2 硬件系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)的電路由兩個部分組成：發(fā)電與電力裝換和控制與數(shù)據傳輸部分。

發(fā)電與電力轉換部分用來控制光伏板發(fā)電的轉換和電力儲存；控制與數(shù)據傳輸部分用于進行水溫的控制與水流大小的調節(jié)。

2.1 發(fā)電與電力轉換部分

發(fā)電與電力轉換部分系統(tǒng)設計包含水路部分設計部分和電路部分設計部分。

2.1.1 水路部分設計

水路部分包括上水水泵、過濾器、單向止回閥、光伏板集熱管、保溫儲水罐、集熱管、微循環(huán)水管/水泵。

①上水水泵為整個集熱系統(tǒng)注入新水；②過濾器用于過濾水中雜質，減少集熱管和儲水罐內的雜質沉積；③單向止回閥用于防止系統(tǒng)內的熱水倒流至供水管網中，造成熱水流失；④光伏板集熱管將光伏板白天運行時所吸收的熱量傳輸?shù)絻λ拗?，以提高系統(tǒng)集熱效率。并且可根據用戶使用地域環(huán)境氣候及用水量采用不同的連接方式：并聯(lián)式適合用水量大，日照強度高的地域用戶；串聯(lián)式適合用水量較小，日照強度較低的地域用戶；混合式適用于用水量，日照強度中等的地域用戶；⑤保溫儲水罐用于儲存熱水；⑥集熱管是系統(tǒng)主要集熱裝置；⑦微循環(huán)水管，水泵。在光照強度過大，光伏板溫度過高時啟動微循環(huán)系統(tǒng)，降低面板溫度，同時對罐內溫度較低的冷水重新加熱；在冬天戶外溫度較低時，通過微循環(huán)防止光伏板集熱管內冷水凍結。

水路部分原理圖如圖1所示。

圖1 水路部分原理圖

2.1.2 電路部分設計

全智能光伏熱水控制系統(tǒng)的電路部分包括三個部分：光伏板控制器、蓄電池組和逆變器。

①光伏板控制器：它的主要作用是用于穩(wěn)定光伏板的輸出電壓，監(jiān)控光伏板發(fā)電情況，為蓄電池組充電。②蓄電池組：該部分主要用于電力儲存。③逆變器：該部分用于將蓄電池組中的直流電轉換為家用的220V交流電。當光伏板發(fā)電量不充足的時候為電池組充電。

電路部分控制原理圖如圖2所示。

圖2 電路部分控制原理圖

2.2 控制與數(shù)據傳輸部分

控制與數(shù)據傳輸部分包括控制主機、輔助加熱器、上水水泵、微循環(huán)水泵、傳感器、無線通訊模塊。

①控制主機部分通過外部傳感器實時監(jiān)測系統(tǒng)狀態(tài)，控制系統(tǒng)上水，循環(huán)，加熱，電力輸出控制，保護，與手機、PC等終端系統(tǒng)進行信息交互；②輔助加熱器用于在罐內熱水溫度為滿足需求時加熱水箱內熱水；③上水水泵在罐內水量不足時及時上水補充；④微循環(huán)水泵為光伏板集熱管提供循環(huán)水，降低面板溫度，防止低溫凍結；⑤傳感器部分用于采集系統(tǒng)及外部環(huán)境數(shù)據。

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 軟件系統(tǒng)構成

軟件系統(tǒng)包括三個模塊：出水模塊、回水模塊和熱水循環(huán)預熱模塊。

出水模塊在用戶按下洗澡按下工作，PLC控制打開冷熱水混水閥，檢測冷水壓力，當冷水壓力達標后，回流泵反轉為出水口加壓，檢測混水閥出水口溫度，當溫度達標后，混水箱緩沖一下，然后將出水回水閥切換至出水，龍頭處電子出水閥打開出水。

回水模塊在用戶關水后工作，單片機控制關閉冷熱水混水閥及電子出水閥，溫度傳感器檢測混水箱內溫度，當溫度低于設定溫度20%時，控制回水閥切換到回水，回流泵工作為回水加壓。

熱水循環(huán)預熱模塊在用戶打開混水閥開始工作，開水熱水先循環(huán)，檢測混水箱溫度，當溫度達標時，關掉回水系統(tǒng)，直至下一次混水箱溫度低于設定溫度20%?；焖?、回水系統(tǒng)原理圖如圖3所示。

圖3 混水、回水系統(tǒng)原理圖

3.2 軟件系統(tǒng)控制流程

軟件系統(tǒng)控制流程包括三個部分：加熱控制部分、混水與出水部分以及回水部分。

軟件系統(tǒng)控制流程圖如圖4所示。

圖4 軟件系統(tǒng)控制流程圖

3.2.1 加熱控制部分

加熱部分功能包括檢查主水箱水位、檢查主水箱水溫、檢查光伏板溫度、打開循環(huán)水泵、緊急加熱、檢測是否達到100℃、檢測設定溫度是否達標。

加熱部分的功能如下：

首先檢測主水箱水位，當水位達標時，檢查主水箱水溫。如果水位過低，則打開進水閥，進水，直到水箱水位達到標準。其次檢測主水箱水溫，當水溫達標，則檢測光伏板溫度，如果不達標，則打開進水閥，直至水滿后，關掉進水泵，并檢測光伏板溫度。再次，檢測光伏板溫度，當光伏板溫度過高時，打開循環(huán)水泵，進行降溫；當光伏板溫度過低時，打開緊急加熱，直至溫度加熱到100℃。最后，對水溫度進行設定并檢查，如果溫度過低，進行緊急加熱，如果溫度達到設定值，進入混水控制流程。

3.2.2 混水與出水部分

混水和出水部分在水龍頭端應用新型電磁開關吸入空氣，結合軟件控制改進了此部分的功能。

當控制流程進入混水部分時，將打開主水箱出水閥，然后再打開冷熱水混水泵，將水放入混水灌，等待出水。

3.2.3 回水部分

當溫度傳感器檢測混水箱溫度不達標的時候，將進入回水控制部分。進入回水控制流程后，將檢測液體溫度，當溫度低于設定溫度時，關掉水龍頭并打開回流泵，同時關掉主水箱出水閥，進入加熱環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)的遠程控制界面

為了提升用戶使用的體驗感，提升生活品質，本系統(tǒng)加入了手機APP，可以實現(xiàn)遠程預定溫度，實現(xiàn)到家即開即用。該系統(tǒng)通過信息互聯(lián)可實現(xiàn)實時反饋水溫到控制APP，提前準備水溫度的預熱，來做到即開即用，并針對智慧社區(qū)OTO進行研究并加以擴展。本系統(tǒng)遠程控制方式主要由手機、APP控制，系統(tǒng)通過遠程連接2.4G的WiFi熱點與互聯(lián)網連接，將系統(tǒng)上傳至互聯(lián)網；只要手機端連接到互聯(lián)網，就可以實時遠程查看系統(tǒng)運行狀態(tài)。

5 結語

該控制系統(tǒng)采用太陽能板吸熱以及電熱的方式相結合，加入智能混水系統(tǒng)與回水系統(tǒng)，對回水和混水系統(tǒng)進行了優(yōu)化設計，有效的節(jié)約了能源消耗，降低了碳排放。

該控制系統(tǒng)優(yōu)點總結如下：

5.1 有助于節(jié)能減排

全智能熱水控制系統(tǒng)，采用多組光伏發(fā)電板固定安裝在光伏板架上，光伏發(fā)電板將太陽能轉化為電能儲存在蓄電池內，蓄電池可為主水箱供電，而且多組光伏發(fā)電板形成的弧形增大了與太陽接觸的面積，使得光伏發(fā)電板轉化電能的效率更高。光伏板轉換的能量不僅提供了智能熱水控制系統(tǒng)所消耗的電力，同時還能將余電供給日常生活所用，實現(xiàn)余電上網，有效的節(jié)約了能源消耗，降低了碳排放。

5.2 提升了用戶使用的舒適度

在混水閥冷水端加有壓力傳感器，在冷水壓力不足時，系統(tǒng)檢測信號并自動打開回流電機，為水增壓，既解決了壓力不足的問題，還提升了用戶使用的舒適度。

5.3 提升生活品質

增加溫度保溫循環(huán)以及APP遠程預熱功能，提升生活品質。

5.4 安全可靠

該系統(tǒng)擁有溫度異常保護、漏電保護環(huán)節(jié)，提高了用戶使用的安全性。

該控制系統(tǒng)的優(yōu)點如下：

①保留了原有的機械閥，同時新增一個全新的電磁機械閥（常閉），并結合軟件控制，不需人為手操，就能實現(xiàn)末端回水。

②在混水閥冷水端加有壓力傳感器，在冷水壓力不足時，系統(tǒng)檢測信號并自動打開回流電機，為水增壓，既解決了壓力不足的問題，還提升了用戶使用的舒適度。

③增加溫度保溫循環(huán)以及APP遠程預熱功能，提升生活品質。

④擁有溫度異常保護、漏電保護環(huán)節(jié)，提高了用戶使用的安全性。

該系統(tǒng)的設計不僅解決了傳統(tǒng)熱水控制系統(tǒng)的問題，同時還結合“智慧社區(qū)O2O”，為廣大用戶提供了高效、安全、方便、舒適的環(huán)境。