北方小型太阳能集热系统功能优化研究

◎董帅帅 董旭 王伟

一、引言

太阳能是地球分布最广泛的能源之一，与太阳能光伏发电利用方式相比，太阳能光热利用方式在开发和利用过程中更环保，越来越受到人们的重视。随着人们生活水平的提高，在冬季，特别是我国北方广大地区，对于生活热水的需求也越来越大。集中供热由于技术成熟、经济性和舒适型优点，目前仍然是难以替代的供热方式。然而对于生活热水，考虑到经济性、效率和运行维护等因素的影响，多以单户供应的方式存在，能源供应方式以单一的燃气和电加热为主。由于环境污染和成本的影响，部分生活热水需求较大的企事业单位考虑在燃气和电加热前采用太阳能集热装置进行预加热。然而太阳能供热在我国还处于推广阶段，相关利用技术多以单体建筑太阳能集热形式存在，绝大部分为短期蓄热形式，多应用于被动式太阳房示范建筑，成本较高，大规模居民领域应用还没有展开。我国北方特别是东北地区冬季寒冷，太阳能集热方式在应用过程中若维护不当，存在管路冻胀损坏的风险。这些地区用户通常采用排空管路的方式，这又限制了太阳能集热装置的推广和应用。若提高和推广太阳能集热系统在我国北方地区的应用，必须采用优化现有防冻措施，设计智能化的控制方式。当夜间室外温度低或白天光照强度很弱时，调整太阳能集热系统水循环管路，适时启动循环泵电加热辅热。本研究通过解决目前太阳能集热技术在北方地区特别冬季应用时存在的问题，促进和扩大太阳能集热系统应用范围，满足人们对于生活热水的需求和改善生活质量。

二、系统结构与工作原理

如图1北方小型太阳能集热控制研究系统结构图。北方小型太阳能集热控制系统选用市场上新推出的S7-200 SMART PLC。北方小型太阳能集热控制系统监测部分由多传感器构成：温度传感器负责温度检测，监测实时室外温度与管路循环水温度；光照度传感器检测光照，监测光照度是否充足；液位传感器负责液位检测，监测实时液位情况。

图1 小型太阳能集热控制研究系统结构图

检测系统温度传感器和光照度传感器判定环境温度、太阳能集热装置和环境光照度是否达到设定值，如果满足要求，则系统正常运行；若光照度不足，则集热装置加热温度达不到预设值，此时对储水箱进行电热棒加热。而管道温度传感器负责监测供水管道的水温，若温度低于预设值，分两种情况：（1）日间：白天管道温度较低，则控制集热循环泵加速水循环，提高管道水温；（2）晚间：温度较低时，特别是深夜热水需求量较小时，适当排空管道水，防止管道内水结冰，冻坏管道，集热系统热源仅由电加热供热。用户端温度传感器主要是满足用户要求。当温度传感器检测到温度低于人体舒适温度值或预设值时，加速供热循环泵运转，加快热水循环，提高室内温度。生活用水端温度传感器的作用主要是判断生活用水是否满足用户要求或达到预设值。PLC主控部分主要是负责完成对系统中温度、光照度等模拟量检测以及循环与集热水泵、电磁阀等器件的自动控制；触摸屏人机交互界面用来显示系统运行的状况以及测量得到的信息，并完成手动控制系统信息状态查询与控制阈值调整设定。

三、功能优化设计

本研究与设计提出了控制系统的运行方案，对系统运行的可行性进行分析；对控制器I/O口进行合理分配并运用编程PLC软件完成对控制程序的编写；利用组态软件完成现场人机交互界面HMI的开发与设置；通过PLC与人机交互界面触摸屏数据通讯运行实时监控，验证了整个系统运行的可行性。

通过对图1小型太阳能集热控制研究系统结构图的介绍，不难发现北方小型太阳能集热控制系统有诸多技术优势特点。（1）本研发是适用于北方环境的民用小型太阳能集热装置的自动控制系统，适应北方地区冬季恶劣的气候；（2）本系统基于工业领域应用广泛的PLC通用平台开发，运行稳定，兼容性强，优于传统同类型供热系统；（3）系统采用温压反馈循环水泵变频控制算法使控制更加精确，出水稳定，用户体验更好；（4）系统通过低温辅热和自保护功能可有效提高系统低温环境运行性能，使严寒工况下的使用寿命明显优于同类系统；（5）基于MCGS的人机交互界面，不仅能对整个系统进行实时监视，而且能对系统进行控制，增强了现场监控性能优化与用户体验。

四、结论与展望

基于PLC控制的北方小型太阳能集热控制系统利用“光”作为热能的主要来源，不会造成环境上的污染。同时采用电辅助加热，保证了供热系统在不同外部环境下可以持续不断为用户供热。针对北方冬季温度过低，容易造成集热系统的冻损问题也给出了具体的解决方案。北方供热节能控制系统的实现为人类在能源利用上提供了新的研发与利用思路。

通过系统的实际运行状况及运行数据，确定了整个系统功能的实现，通过PLC对系统器件的控制完成，在充分利用太阳能资源的基础上保证了在各种环境下恒温供暖的需求。达到了节能、环保、稳定、效率高等研究目的。