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

（成都紡織高等專科學(xué)校，成都 611731）

0 引言

目前，我國(guó)正處在能源綠色低碳化轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵時(shí)期[1]。在能源轉(zhuǎn)型的過(guò)程中，單一的能源品種利用已受到多方制約，儲(chǔ)能與多能互補(bǔ)融合發(fā)展是能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的新方向，也將成為我國(guó)“十四五”時(shí)期能源的重點(diǎn)發(fā)展方向[2]。構(gòu)建安全、高效、清潔、低碳的現(xiàn)代化的能源體系，是推動(dòng)我國(guó)能源革命的根本要求，是促進(jìn)我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)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(chǎng)上的主流熱水器主要以燃?xì)鉄崴鳛橹?，太?yáng)能型的熱水器在市場(chǎng)的占比在西部陽(yáng)光不充足的地區(qū)占比較小。同時(shí)，目前在市場(chǎng)上的太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)，普遍存在太陽(yáng)能資源利用不充分、光伏板轉(zhuǎn)換效率隨板面溫度升高而降低的情況。

目前我國(guó)的熱水器回水系統(tǒng)和恒溫系統(tǒng)具有以下不足點(diǎn)：①回水系統(tǒng)不使用時(shí)需要關(guān)閉閥門，否則熱水器循環(huán)泵會(huì)一直進(jìn)行加熱，造成資源浪費(fèi)；如果關(guān)閉閥門，下次使用時(shí)再打開(kāi)，需要等待幾分鐘管道內(nèi)的水才能加熱，就沒(méi)有即開(kāi)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(cè)水量進(jìn)行恒溫控制，在壓力過(guò)小的時(shí)候無(wú)法點(diǎn)火。

針對(duì)上述問(wèn)題，我團(tuán)隊(duì)針對(duì)以上缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，將太陽(yáng)能熱水器與光伏板結(jié)合，在發(fā)電同時(shí)，利用光伏板所吸收熱量，以水為傳熱介質(zhì)，儲(chǔ)存熱量作為生活用水。同時(shí)通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，讓手機(jī)移動(dòng)端和總控端結(jié)合，對(duì)熱水器進(jìn)行管理達(dá)到恒溫效果。從而建立一個(gè)契合國(guó)家綠色能源發(fā)展的戰(zhàn)略方針，同時(shí)運(yùn)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(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)由發(fā)電與電力轉(zhuǎn)換，控制與數(shù)據(jù)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(yáng)能與電熱混合加熱的方式進(jìn)行加熱，通過(guò)PLC控制混水系統(tǒng)與回水系統(tǒng)。在陽(yáng)光照射過(guò)程中，光伏板發(fā)電加熱與熱量集熱方法加熱水箱內(nèi)水，達(dá)到預(yù)計(jì)溫度，同時(shí)通過(guò)傳感器采集當(dāng)前各個(gè)點(diǎn)溫度、水位、水壓，由PLC收集所有數(shù)據(jù)信息，并經(jīng)過(guò)PLC精密的計(jì)算，輸出信號(hào)控制各個(gè)點(diǎn)的電動(dòng)閥門，實(shí)現(xiàn)溫度恒定。采用手機(jī)APP實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和操作面板控制兩種功能，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控并查看系統(tǒng)狀態(tài)。

同時(shí)本系統(tǒng)采用手機(jī)APP遠(yuǎn)程控制或操作面板控制，可以提前設(shè)定溫度或臨時(shí)設(shè)定溫度，做到即開(kāi)即來(lái)，在APP上還可以實(shí)時(shí)查看系統(tǒng)狀態(tài)，并協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的工作，通過(guò)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(nèi)集成了多個(gè)溫度傳感器，以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控溫的目標(biāo)，讓用戶的體驗(yàn)感達(dá)到最佳。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

發(fā)電與電力轉(zhuǎn)換部分用來(lái)控制光伏板發(fā)電的轉(zhuǎn)換和電力儲(chǔ)存；控制與數(shù)據(jù)傳輸部分用于進(jìn)行水溫的控制與水流大小的調(diào)節(jié)。

2.1 發(fā)電與電力轉(zhuǎn)換部分

發(fā)電與電力轉(zhuǎn)換部分系統(tǒng)設(shè)計(jì)包含水路部分設(shè)計(jì)部分和電路部分設(shè)計(jì)部分。

2.1.1 水路部分設(shè)計(jì)

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

①上水水泵為整個(gè)集熱系統(tǒng)注入新水；②過(guò)濾器用于過(guò)濾水中雜質(zhì)，減少集熱管和儲(chǔ)水罐內(nèi)的雜質(zhì)沉積；③單向止回閥用于防止系統(tǒng)內(nèi)的熱水倒流至供水管網(wǎng)中，造成熱水流失；④光伏板集熱管將光伏板白天運(yùn)行時(shí)所吸收的熱量傳輸?shù)絻?chǔ)水罐中，以提高系統(tǒng)集熱效率。并且可根據(jù)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(qiáng)度高的地域用戶；串聯(lián)式適合用水量較小，日照強(qiáng)度較低的地域用戶；混合式適用于用水量，日照強(qiáng)度中等的地域用戶；⑤保溫儲(chǔ)水罐用于儲(chǔ)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(qiáng)度過(guò)大，光伏板溫度過(guò)高時(shí)啟動(dòng)微循環(huán)系統(tǒng)，降低面板溫度，同時(shí)對(duì)罐內(nèi)溫度較低的冷水重新加熱；在冬天戶外溫度較低時(shí)，通過(guò)微循環(huán)防止光伏板集熱管內(nèi)冷水凍結(jié)。

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(shè)計(jì)

全智能光伏熱水控制系統(tǒng)的電路部分包括三個(gè)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(chǔ)存。③逆變器：該部分用于將蓄電池組中的直流電轉(zhuǎn)換為家用的220V交流電。當(dāng)光伏板發(fā)電量不充足的時(shí)候?yàn)殡姵亟M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(jù)傳輸部分

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

①控制主機(jī)部分通過(guò)外部傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(hù)，與手機(jī)、PC等終端系統(tǒng)進(jìn)行信息交互；②輔助加熱器用于在罐內(nèi)熱水溫度為滿足需求時(shí)加熱水箱內(nèi)熱水；③上水水泵在罐內(nèi)水量不足時(shí)及時(shí)上水補(bǔ)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(jié)；⑤傳感器部分用于采集系統(tǒng)及外部環(huán)境數(shù)據(jù)。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成

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

出水模塊在用戶按下洗澡按下工作，PLC控制打開(kāi)冷熱水混水閥，檢測(cè)冷水壓力，當(dāng)冷水壓力達(dá)標(biāo)后，回流泵反轉(zhuǎn)為出水口加壓，檢測(cè)混水閥出水口溫度，當(dāng)溫度達(dá)標(biāo)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(kāi)出水。

回水模塊在用戶關(guān)水后工作，單片機(jī)控制關(guān)閉冷熱水混水閥及電子出水閥，溫度傳感器檢測(cè)混水箱內(nèi)溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度20%時(shí)，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(yù)熱模塊在用戶打開(kāi)混水閥開(kāi)始工作，開(kāi)水熱水先循環(huán)，檢測(cè)混水箱溫度，當(dāng)溫度達(dá)標(biāo)時(shí)，關(guān)掉回水系統(tǒng)，直至下一次混水箱溫度低于設(shè)定溫度20%?；焖⒒厮到y(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(gè)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(kāi)循環(huán)水泵、緊急加熱、檢測(cè)是否達(dá)到100℃、檢測(cè)設(shè)定溫度是否達(dá)標(biāo)。

加熱部分的功能如下：

首先檢測(cè)主水箱水位，當(dāng)水位達(dá)標(biāo)時(shí)，檢查主水箱水溫。如果水位過(guò)低，則打開(kāi)進(jìn)水閥，進(jìn)水，直到水箱水位達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)。其次檢測(cè)主水箱水溫，當(dāng)水溫達(dá)標(biāo)，則檢測(cè)光伏板溫度，如果不達(dá)標(biāo)，則打開(kāi)進(jìn)水閥，直至水滿后，關(guān)掉進(jìn)水泵，并檢測(cè)光伏板溫度。再次，檢測(cè)光伏板溫度，當(dāng)光伏板溫度過(guò)高時(shí)，打開(kāi)循環(huán)水泵，進(jìn)行降溫；當(dāng)光伏板溫度過(guò)低時(shí)，打開(kāi)緊急加熱，直至溫度加熱到100℃。最后，對(duì)水溫度進(jìn)行設(shè)定并檢查，如果溫度過(guò)低，進(jìn)行緊急加熱，如果溫度達(dá)到設(shè)定值，進(jìn)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(yīng)用新型電磁開(kāi)關(guān)吸入空氣，結(jié)合軟件控制改進(jìn)了此部分的功能。

當(dāng)控制流程進(jìn)入混水部分時(shí)，將打開(kāi)主水箱出水閥，然后再打開(kāi)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(dāng)溫度傳感器檢測(cè)混水箱溫度不達(dá)標(biāo)的時(shí)候，將進(jìn)入回水控制部分。進(jìn)入回水控制流程后，將檢測(cè)液體溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，關(guān)掉水龍頭并打開(kāi)回流泵，同時(shí)關(guān)掉主水箱出水閥，進(jìn)入加熱環(huán)節(jié)。

4 系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制界面

為了提升用戶使用的體驗(yàn)感，提升生活品質(zhì)，本系統(tǒng)加入了手機(jī)APP，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程預(yù)定溫度，實(shí)現(xiàn)到家即開(kāi)即用。該系統(tǒng)通過(guò)信息互聯(lián)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)反饋水溫到控制APP，提前準(zhǔn)備水溫度的預(yù)熱，來(lái)做到即開(kāi)即用，并針對(duì)智慧社區(qū)OTO進(jìn)行研究并加以擴(kuò)展。本系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制方式主要由手機(jī)、APP控制，系統(tǒng)通過(guò)遠(yuǎn)程連接2.4G的WiFi熱點(diǎn)與互聯(lián)網(wǎng)連接，將系統(tǒng)上傳至互聯(lián)網(wǎng)；只要手機(jī)端連接到互聯(lián)網(wǎng)，就可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

5 結(jié)語(yǔ)

該控制系統(tǒng)采用太陽(yáng)能板吸熱以及電熱的方式相結(jié)合，加入智能混水系統(tǒng)與回水系統(tǒng)，對(duì)回水和混水系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(diǎn)總結(jié)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(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存在蓄電池內(nèi)，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(yáng)接觸的面積，使得光伏發(fā)電板轉(zhuǎn)化電能的效率更高。光伏板轉(zhuǎn)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(shí)還能將余電供給日常生活所用，實(shí)現(xiàn)余電上網(wǎng)，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(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)并自動(dòng)打開(kāi)回流電機(jī)，為水增壓，既解決了壓力不足的問(wèn)題，還提升了用戶使用的舒適度。

5.3 提升生活品質(zhì)

增加溫度保溫循環(huán)以及APP遠(yuǎn)程預(yù)熱功能，提升生活品質(zhì)。

5.4 安全可靠

該系統(tǒng)擁有溫度異常保護(hù)、漏電保護(hù)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(diǎn)如下：

①保留了原有的機(jī)械閥，同時(shí)新增一個(gè)全新的電磁機(jī)械閥（常閉），并結(jié)合軟件控制，不需人為手操，就能實(shí)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(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)信號(hào)并自動(dòng)打開(kāi)回流電機(jī)，為水增壓，既解決了壓力不足的問(wèn)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(yuǎn)程預(yù)熱功能，提升生活品質(zhì)。

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

該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不僅解決了傳統(tǒng)熱水控制系統(tǒng)的問(wèn)題，同時(shí)還結(jié)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。