基于PLC的太阳能制冷系统设计

张琴 龚成林

摘要：太阳能制冷系统是将太阳能收集装置与制冷机组相结合，利用太阳能集热器产生的热量驱动制冷系统。该文设计了一个基于PLC的太阳能制冷系统，系统由集热和制冷两部分组成，控制采用西门子S7-300PLC作为主站，两个S7-200PLC作为从站，采用MCGS作为人机交互界面，利用以太网通信，通过控制伺服电机、步进电机、变频器来实现对太阳方位和仰角的跟踪以及各种泵的控制，达到太阳能制冷的目的。

关键词：太阳能;制冷;PLC;以太网通信;触摸屏;伺服电机;步进电机

中图分类号：TP393      文献标识码：A      文章编号：1009-3044（2018）36-0224-03

随着科学技术和生活水平的提高，人们开始越来越多的关注环保问题。当前，我国空调主要以电力驱动空调为主，这类空调多以氟利昂为冷媒，而氟利昂等氟碳类物质被认为是破坏臭氧层和造成温室效应的重要原因;另一方面，当前电能主要是以火力发电为主，煤炭燃烧会排放二氧化硫等污染环境的气体。所以利用太阳能驱动空调系统一方面可以大大减少煤炭等不可再生能源消耗，另一方面也大大减少了氟利昂、二氧化硫等对环境的破坏。太阳能制冷空调，最大的优点还在于季节匹配性好，天气越热、越需要制冷的时候，系统吸收的太阳能越多，制冷量越大。

太阳能制冷空调技术方案很多， 主要包括光-热和光-电两大技术路线。在光-热技术路线方面， 包括吸收式制冷、吸附式制冷、除湿空调、喷射制冷、朗肯循环制冷和化学反应方式制冷等技术方案。以往在我国太阳能制冷空调工程中应用最广泛、技术最成熟的方案是真空管或平板集热器+溴化锂单效吸收式冷水机组方案[1]。本文设计了一个自动化的太阳能空调，通过利用PLC技术控制电机自动跟踪太阳方位和仰角，收集太阳能来驱动制冷机组制冷，实现太阳能制冷。

1 系统分析

太阳能制冷系统分为集热系统和制冷系统两部分。集热系统是对太阳能进行收集，并且将收集的太阳能用来驱动吸收式制冷。集热系统图如图1，制冷系统图如图2所示。

1-发生器; 2-冷凝器;3-蒸发器;4-吸收器;5-冷剂泵;

6-溶液泵;7-热交换器;8-节流阀;9-减压阀

集热系统采用太阳能追踪仪，根据纬度、太阳赤纬角和太阳时角不同计算太阳轨迹，通过控制步进电机和伺服电机来实现方向和仰角的调整。同时在方位步进电机装置末端安装编码器，用来检测实际角度是否达到要求。

制冷系统采用溴化锂制冷（循环制冷系统），该装置除发生器是高压环境，其他容器内均是低压环境。由图2可知，通过集热系统将光能转换成热能，被加热的冷水在发生器里作为热媒，使吸收器里合成的溴化锂、水混合液分解，分别成为高压气态水和液态溴化锂;液态溴化锂由溶液泵被抽回吸收器，高压气态水进入冷凝器冷凝成低压液态水（该过程模拟空调制冷吸收外界高温湿气）;通过冷凝产生的低压液态水在进入管道和蒸发器之前开始吸收热量，并且还吸收蒸发器中具有一定温度的工业冷却水，使低压液态水转换成低压气态水（此过程循环泵不停地使低压液态水转换产出低压气态水）;最后低压气态水进入吸收器被溴化锂吸收。

2 系统框架

控制系统通过以太网通信，采用西门子S7-300 PLC作为主站，两个S7-200 PLC作为从站，采用MCGS触摸屏作为人机交互界面，来实现对太阳能制冷系统各个电机的控制。

太阳能制冷系统具体驱动设备如下：循环泵电机M1由双速电机控制，溶液泵电机M2由变频器进行多段速控制，太阳板清洗电机M3为普通三相异步电动机，太阳板仰角由伺服电机M4控制，太阳板方位由步进电机M5控制。

3 系统控制要求

太阳能制冷系统设备具有手动调试和自动运行两种工作模式。设备上电后触摸屏进入调试模式，用于调试系统中所有电机的状态是否正常，是否按照要求运行。待所有电机调试完成后，方可进入到自动运行模式，开始运行集热系统和制冷系统，利用太阳能进行制冷。

3.1 调试模式

设备上电后，触摸屏进入调试模式，出现如下调试画面，通过下拉框选择需要调试的电机，按下启动按钮可依次对循环泵电机、溶液泵电机、清洗电机、太阳能板仰角转动（伺服）电机、太阳能板方向转动（步进）电机的功能进行调试。待所有电机调试完成，功能都正常后，进入运行模式。

3.2 自动运行模式

切换到自动运行模式后，触摸屏自动进入运行模式画面，在触摸屏上按下启动按钮，集热系统和制冷系统分别运行。运行模式界面如图4所示。

1） 集热系统：根据系统所处地域纬度φ不同、每天的太阳赤纬角δ不同以及不同时刻的太阳时角不同，可通过下列公式计算出每时每刻的太阳方位角（方向） β和高度角α。然后控制太阳能板仰角转动（伺服）电机和太阳能板方向转动（步进）电机分别转动相应的角度，以最大程度利用太阳能。

方位角（方向）：β=arc sin （sin t*cosδ/cosα）

高度角（仰角）：α =arc sin （sinφ*sinδ+sinφ*cosδ*cost）

式中φ：当地纬度;

δ：太阳赤纬角;以9月21日，该天赤纬角是0°

t：太阳时角;t=15*（当地时间-12）。以十二点为例，该点太阳仰角为0°， （t值为每小时应转动的角度，为了让伺服和步进电机更加精准地跟踪太阳的方位角和高度角，我们通常要求伺服和步进电机每6秒就转动一次该角度）。

2） 制冷系统

制冷系统运行流程：通过温度传感器PT100检测外部环境温度，當温度达到20℃以上时，开启清洗电机冲刷太阳能电池板，运行10s后停止。当发生器内的温度达到30℃时，溶液泵启动，溶液泵的运行速度控制是将吸收器内的压力信号转换为模拟量电信号，通过模拟量信号控制变频器来实现。等待8s后，蒸发器内的循环泵运行，循环泵为双速电机，速度由蒸发器内压力决定，当压力模拟量信号电压为5-10V时，循环泵电机低速运转，当压力模拟量信号电压为5V以下时，循环泵电机高速运转。该过程运行情况将实时显示在触摸屏上，包括电机运行状态，运行速度，容器内压力显示，按下停止按钮系统全部停止。