CN103196237A - 一种太阳能系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种太阳能系统，包括至少一个集热器和通过上水管路连接于该集热器的冷水水箱，其中所述上水管路配有给水设备，而所述冷水水箱连接有水源管路，还包括通过设有第一电磁阀的供水管路连接集热器出水口的锅炉水箱及该锅炉水箱所供给的锅炉，同时配有与所述锅炉水箱通过设有单向阀的底部连通管路连通的第二蓄水水箱，且锅炉水箱上部设有连接至所述第二蓄水水箱上部的溢流管路；一太阳能辐照监测仪接入系统控制单元，以依据辐照度控制所述第一电磁阀的启闭。依据本发明采用辐照驱动供水启动的方式在较为复杂的系统中实现系统的相对高效。

Description

一种太阳能系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能系统，具体是涉及一种太阳能热利用与传统能源相结合的太阳能热利用系统，其中太阳能部分用于辅助加热。

背景技术

在能源紧缺的时代，太阳能作为一种绿色环保的能源具有广阔的发展前景，在太阳能热利用过程中，集热器获得的能量与太阳辐照有直接的关系。

目前，太阳能热利用领域靠监测环境的温度及集热器出口的温度来对太阳能循环系统进行控制，大型的太阳能热利用系统通常由多个集热器组成，在进行控制系统设计过程中，集热器的得热量除了与本身的集热能力有关以外，还与太阳的辐照及环境温度有关。

目前普遍采用温度传感器探测集热器出口的温度对太阳能系统进行控制。为此，每一个集热器的出口安装一个温度传感器，在系统的使用过程中，由于集热器的大量使用，使得出口温度传感器数量较多，布线、安装、维护复杂，控制系统要考虑温度传感器长期使用故障数量不断增加的问题，使控制逻辑复杂。

另一方面，集热器出口温度相对于太阳辐照度来说具有滞后性，影响太阳能热利用的效率。应知，在太阳能辅助加热的系统中，如从集热器流出的热水供给锅炉，等于太阳能对水进行预热，然后再由锅炉产生开水，受热水系统领域的限制，本领域目前均采用如前所述的温度传感器进行循环控制启动，

测量太阳辐照的设备多应用于太阳能发电上，更典型地应用在光伏产业、太阳能热发电领域等受太阳辐照的优势关联的领域，对太阳辐照要求也比较高，通常由太阳辐照来启动设备。在热水系统中，尤其是太阳能辅助加热的热水系统中，热水系统的启动受太阳能影响相对较小，除此之外，受辅助加热的本身的影响，其系统相对比较简单，太阳辐照度对系统的影响相对较小，发明人经过长期的研究，在具有一定复杂度的太阳能热水系统中，集热器出口温度较之太阳辐照度的相对滞后性随着系统复杂度的提高其影响会变得较大。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种太阳能系统，其采用辐照驱动供水启动的方式在较为复杂的系统中实现系统相对高效的利用太阳能。

本发明采用以下技术方案：

一种太阳能系统，包括至少一个集热器和通过上水管路连接于该集热器的冷水水箱，其中所述上水管路配有给水设备，而所述冷水水箱连接有水源管路，还包括通过设有第一电磁阀的供水管路连接集热器出水口的锅炉水箱及该锅炉水箱所供给的锅炉，同时配有与所述锅炉水箱通过设有单向阀的底部连通管路连通的第二蓄水水箱，且锅炉水箱上部设有连接至所述第二蓄水水箱上部的溢流管路；

一太阳能辐照监测仪接入系统控制单元，以依据辐照度控制所述第一电磁阀的启闭。

依据本发明，在上述结构中，集热器阵列为锅炉提供给定温度的水，其采用辐照度启停的方式驱动所述第一电磁阀，避免集热器出口温度相对滞后性的缺陷，在为锅炉给水中，实现相对高效的热利用。

当锅炉水箱内储水较多时，会溢流到第二蓄水水箱，而在因时变造成辐照度低而使集热器不能供给热水时，第二蓄水水箱通过单向连通的方式提供给锅炉水箱适当温度的热水。综合蓄水水箱与辐照启动，即便是夏天供水管路较早启动，也不会产生热水浪费，能够实现相对高效的热利用。

上述太阳能系统，还包括与所述第二蓄水水箱通过底部连通管路连通的第一蓄水水箱。

上述太阳能系统，所述第二蓄水水箱的上部设有连接于所述冷水水箱的溢流管路。

上述太阳能系统，配有检测所述上水管路内水温的第一传感器，且因应该传感器，所述冷水水箱通过设有第二电磁阀的防冻循环管路连接于供水管路，以在所述上水管路水温低于设定温度时，启动防冻循环。

上述太阳能系统，所述冷水水箱设有用于检测其内储水温的第二传感器，且该冷水水箱通过设有因应于第二传感器的第三电磁阀的蒸汽管路，以在冷水水箱内水温低于设定温度时，对其蒸汽加热。

上述太阳能系统，所述锅炉水箱还通过设有第四电磁阀的锅炉供水管路连接于所述水源管路，且相应地，所述锅炉水箱内设有检测锅炉水箱水位的锅炉水箱水位传感器，以在锅炉水箱水位低于设定水位时，开启所述第四电磁阀进行水源供水。

上述太阳能系统，所述第二蓄水水箱备有连接于所述供水管路的备用管路，且该备用管路设有手动阀门，以在供水管路接入锅炉水箱故障时启用所述备用管路。

上述太阳能系统，所述第二蓄水水箱与所述锅炉间设有带有截止阀的维修备用管路。

上述太阳能系统，所述上水管路冗余有带有备用上水设备的备用上水管路。

上述太阳能系统，系统所配置传感器基于分散布置的接线柜分散连接，分散布置的接线柜则通过中继转接至中控柜，中控柜进一步连接有监控显示终端，形成对传感器采集信息的集中显示。

附图说明

图1为依据本发明的一种太阳能系统的结构原理图。

图中：1.集热供水管路，2.集热器，3.太阳能辐照监测仪，4.防冻循环管路，5.第一蓄水水箱，6.冷水箱水位传感器，7.冷水水箱，8.第二蓄水水箱，9.冷水箱供水管路，10.定温供水管路，11.备用管路，12.蓄水水箱水位传感器，13.锅炉供水管路，14.锅炉水箱，15.锅炉水箱水位传感器  16.锅炉，17.维修备用管路，18.自来水管路，19.备用循环管路。

具体实施方式

参照说明书附图1所示的一种太阳能系统，包括至少一个集热器2和通过上水管路连接于该集热器2的冷水水箱7，其中所述上水管路配有给水设备，而所述冷水水箱7连接有水源管路，还包括通过设有电磁阀DG4的供水管路连接集热器2出水口的锅炉水箱14及该锅炉水箱14所供给的锅炉16，同时配有与所述锅炉水箱通过设有单向阀G7的底部连通管路连通的第二蓄水水箱8，且锅炉水箱上部设有连接至所述第二蓄水水箱8上部的溢流管路，而第二蓄水水箱8还通过控制阀G6连接于所述供水管路；

一太阳能辐照监测仪3接入系统控制单元，以依据辐照度控制所述电磁阀DG4的启闭。

在具体的应用中，集热器2的数量取决于锅炉用水量，本领域的技术人员对此应当理解，在此不再赘述。

为了使测得的太阳辐照度与集热器实际接收的辐照度相一致，太阳能辐照监测仪3与集热器2安装在同一平面上，实时采集太阳辐照度，太阳能辐照监测仪上的辐照度传感器输出为0～20mV的电压信号，对应的是辐照度为0～2000 W／m²，在实际应用中，先对传感器输出的信号进行放大，再进行A/D转换，通过计算即可得到太阳辐照度的值，计算公式如下：

，其中Ee为太阳辐照度，U为传感器输出的电压，K为灵敏度，α为电压放大倍数。由上述计算公式可以得出太阳的瞬时辐照度，根据实时监测及相应的优化算法得出太阳辐照的变化，从而为管路循环及定温模式等的控制提供依据。

在上述结构中，使用太阳能辐照监测仪3监测太阳辐照度，根据监测值对循环系统进行控制。其中太阳能辐照监测仪3与集热器2放置在同一平面上，当太阳能辐照表3的检测值达到设定值时，启动定温放水管路循环10，当太阳能辐照表3的检测值小于设定低值时，关闭定温放水管路循环10。在图1所示的结构中，通过电磁阀DG4进行定温供水管路10的启停，实现集热器与锅炉水箱14间的给水启停。

从而，当太阳辐照达到某一值时，满足定温放水的条件，则控制系统将电磁阀DG4打开，系统通过定温供水管路10将集热器中的热水循环至锅炉水箱。

在图1所示的结构中，第二蓄水水箱8与锅炉水箱底部通过设有单向阀G7的管路连接，应知，这里的单向阀G7的安装方式应该是第二蓄水水箱8到锅炉水箱14的单向导通。而在上部，锅炉水箱14设有溢流管道，把多余的热水溢流到第二蓄水水箱8内存放，依据该结构，可以通过定温放水与锅炉水箱14过满之后的问题。而在辐照度比较低时，锅炉水箱14由于被持续使用，而水量减少，此时第二蓄水水箱8内的水可以通过连通器原理进行供给。

进一步地，如图1所示，还包括与所述第二蓄水水箱8通过底部连通管路连通的第一蓄水水箱5。在这里并非是对第二蓄水水箱8的简单扩容，依据上述结构可知，当夏天集热器2输出的水量较大时，基于设计上的考量，需要有一定量的水进入到第二蓄水水箱8，从而满足热利用的效率。如果第二蓄水水箱过大，溢流过来的水仅在箱底平铺，由于热耗散，使得这种配置变得毫无价值，且较低水位的第二蓄水水箱2在通过连通管路供给时水位差过小，而不能对单向阀G7产生驱动力。因此，经过考量，采用多蓄水箱的结构形式，把其主要作用的蓄水箱限定在一定容积内，从而能够保证集热器2所产生热水的有效利用。

在一些实施例中，第一蓄水水箱5和第二蓄水水箱8间的配管可以参照第二蓄水水箱8与锅炉水箱14之间的配管方式，从而产生不是如图1所示的简单扩容方式，具有更好的使用价值。

优选地，所述第二蓄水水箱5的上部设有连接于所述冷水水箱7的溢流管路。把多余的水循环到冷水水箱，使用集热器2进行循环加热，提高热利用率。

在一些实施例中，配有检测所述上水管路内水温的第一传感器，上水管路为如图1所示的集热供水管路1，且因应该传感器，所述冷水水箱7通过设有电磁阀DG5的防冻循环管路4连接于供水管路，以在所述上水管路水温低于设定温度时，启动防冻循环。

应当理解，在系统中，通常含有控制单元，传感器以及相关的电磁阀匹配连接控制单元，实现反馈控制，因而上述内容中采用“因应”应为本领域的技术人员所理解。

集热器2必然要设置在室外，那么不可避免的其与冷水水箱7的连接管路会有一部分位于室外，为了避免集热供水管路1被冻结，构造集热器2与冷水水箱7件的循环管路，在必要时，也就是集热供水管路内的水温较低时启动防冻循环。

在防冻循环管路上还配有截止阀G5，用于手动控制，防止电磁阀DG5失效或者维修时使用。

所述冷水水箱7设有用于检测其内储水温的第二传感器，且该冷水水箱通过设有因应于第二传感器的电磁阀DG3的蒸汽管路，如图1下部中间，以在冷水水箱7内水温低于设定温度时，对其蒸汽加热。同时也为蒸汽管路设置截止阀G3，以方便手动控制。

所述锅炉水箱14还通过设有电磁阀DG1的锅炉供水管路13连接于所述水源管路，主要在冬季或者气温较低时使用，集热器2的功能应力下降的条件下，且相应地，所述锅炉水箱内设有检测锅炉水箱水位的锅炉水箱水位传感器15，以在锅炉水箱水位低于设定水位时，开启所述电磁阀DG1进行水源供水。同时，也在锅炉供水管路上设置截止阀G1，方便手动控制。

为避免，所述第二蓄水水箱8备有连接于所述供水管路的备用管路11，且该备用管路11设有手动阀门G6，以在供水管路接入锅炉水箱14故障时启用所述备用管路11，所说的故障主要是电磁阀DG4出现故障，不能有效分断，这样可以通过截止阀G4进行定温供水管路10的截止，然后开启截止阀G6。

所述第二蓄水水箱8与所述锅炉间设有带有截止阀G8的维修备用管路17。

如图1所示，所述上水管路冗余有带有备用上水设备的备用上水管路，也就是如图1所示的备用循环管路19，所说的上水设备通常表现为太阳能站，一般包括水泵以及配置的逆止阀、压力表等。

为了有效监控系统的运行，系统所配置传感器基于分散布置的接线柜分散连接，分散布置的接线柜则通过中继转接至中控柜，中控柜进一步连接有监控显示终端，形成对传感器采集信息的集中显示。

那么依据上述结构，首先是锅炉水箱14的定位上水：

当锅炉水箱14水位低于 “参数1—锅炉水箱定位上水 水位下限” ，锅炉供水电磁阀DG1打开；水位达到“参数2—锅炉水箱定位上水 水位上限” ，电磁阀DG1关闭。那么对应的，锅炉水箱14设有锅炉水箱水位传感器15，用于监测锅炉水箱14内的水位。

冷水水箱7定位上水：

当冷水水箱7水位低于 “参数3—冷水水箱定位上水 水位下限” ，冷水供水电磁阀DG2打开；水位达到“参数4—冷水水箱定位上水 水位上限” ，电磁阀DG2关闭。在图1中，冷水水箱7配有用于监测其水位的冷水箱水位传感器。

冷水水箱7加热“

当冷水水箱7温度低于“参数9—冷水水箱加热温度下限” ，蒸汽电磁阀DG3打开；冷水水箱温度达到“参数10—冷水水箱加热温度上限”，蒸汽电磁阀DG3关闭。对应地，冷水箱也应当配置有相关的温度传感器。

由于传感器个数较多，在中等规模的锅炉辅助加热中，大致需要150个各类传感器，在长期的运行过程中，可能出现传感器故障或者损坏的情况，在逻辑功能判断过程中，如果不考虑将故障的传感器排除，将会使系统不能正常运行处于停滞状态。因此，在系统逻辑控制过程中，要有相应的逻辑将传感器故障进行排除和提示。

定温放水异常处理：

假设设定高温定温放水 温度上限 = 95℃；

高温定温放水温度下限 = 85℃ ； 

定温放水启动后，经过A分钟，仍有 X 个集热器传感器温度高于95℃ ，可能这X个温度传感器损坏或管道流通不畅，此时记录异常的集热器温度传感器个数X，并强制停止定温放水，同时“定温上水”闪烁，指示有异常。强制停止定温上水B分钟后，再检测集热器温度传感器变化，如果此时高于95℃的集热器温度传感器比X 多 Y个，则再次启动定温放水，依次循环。并将被判定为故障的传感器的名称通过界面操作可查询。

注： “A”  由参数13 — 定温放水 工作时间 设定；

“B”  由参数 41 — 定温放水 间隔时间 设定；

“Y”  由参数34 设定；

从而依据中控系统就可以有效地检测出那些传感器出现故障。

防冻循环：

防冻循环允许启动的前提条件：

1）冷水箱(7)有水，“水位1”点亮时，显示冷水水箱水位；

2）在冬季运行模式下，冬季运行模式时，“恒温”点亮。

初次上电运行，采集集热器和集热管道温度，选择最低温度T-L，如果T-L低于“参数19-防冻循环 温度下限”，防冻循环启动，电磁阀DG4关闭，DG5开启。

防冻循环启动后：

a、防冻循环启动10分钟后，连续80S检测到T-L 高于“参数18-防冻循环 温度上限”防冻循环停止，5分钟后，按初次上电判断防冻循环是否再次运行。

b、防冻循环启动10分钟后，T-L一直低于“参数18-防冻循环温度上限”，防冻循环继续运行，经过一段时间（参数20-防冻循环工作时间），T-L仍低于“参数18-防冻循环 温度上限”，则强制停止防冻循环，并记录此时低于“参数19-防冻循环温度下限”的温度传感器的个数TL-NUM。10分钟后，统计低于“参数19-防冻循环温度下限”的温度传感器个数TL_NUM_2，如果连续70S检测到 TL_NUM + 3< TL_NUM_2  防冻循环再次启动。

在防冻循环控制逻辑中，T-L为集热器和管道温度传感器中温最低温度，当T-L低于防冻循环温度上限时，防冻循环运行设定时间，如果T-L仍低于防冻循环温度上限，则认为低于T-L的这些传感器损坏，记录此时传感器的个数，即低于防冻循环温度下限的温度传感器的个数TL-NUM，10分钟后，统计低于防冻循环温度传感器下限的温度传感器个数TL-NUM_2，如果连续70s检测到TL_NUM + 3< TL_NUM_2，即低于防冻循环温度下限的温度传感器的个数多了3个，则再次启动防冻循环。

为了更有效的实现监控，传感器的供电线及RS485数据传输线接入分散布置的接线柜内，通过接线柜中继转接到控制室的控制柜内，控制柜内的数据通过RS485总线传送到监控PC终端，通过Labview上位机监控软件对现场的数据及运行状况进行图形化显示。

为了更清楚地理解如图1所示的结构，下面集中地简单描述一下系统的控制：

自来水管路18和冷水水箱7的作用是给集热器2供水，当自来水停水时冷水水箱7可保证短时间内提供冷水。

锅炉水箱14的作用是：接收定温供水管路所提供的有一定温度基础的热水。

①当外界环境较好，太阳能辐照充足的情况下，定温放水量较大，当锅炉水箱14水满后，热水由锅炉水箱14的溢流口流入第二蓄水水箱8，第二蓄水水箱8具有保温作用。当第二蓄水水箱水满后通过第一蓄水水箱5的溢流口流入冷水水箱7。

②当太阳辐照不好的情况下，集热器2中的水温过低，达不到定温放水的条件，不能通过定温放水管路为锅炉水箱14提供温水。当锅炉水箱14中的水位低于第二蓄水水箱8的水位时，根据连通器的原理，第二蓄水水箱8中的水通过单向阀G7流到锅炉水箱14，直到第二蓄水水箱8和锅炉水箱14中的水位相同为止，从而起到蓄水的作用，第二蓄水水箱8和第一蓄水水箱5下部导通分别起到I级蓄水和II级蓄水的作用。

当蓄水水箱和锅炉水箱14都没有水后，电磁阀DG1打开，通过锅炉供水管路13由自来水为锅炉水箱14供水。

Claims (10)

1.一种太阳能系统，包括至少一个集热器（2）和通过上水管路连接于该集热器（2）的冷水水箱（7），其中所述上水管路配有给水设备，而所述冷水水箱（7）连接有水源管路，其特征在于，还包括通过设有第一电磁阀的供水管路连接集热器（2）出水口的锅炉水箱（14）及该锅炉水箱（14）所供给的锅炉（16），同时配有与所述锅炉水箱通过设有单向阀的底部连通管路连通的第二蓄水水箱（8），且锅炉水箱上部设有连接至所述第二蓄水水箱（8）上部的溢流管路；

一太阳能辐照监测仪（3）接入系统控制单元，以依据辐照度控制所述第一电磁阀的启闭。

2.根据权利要求1所述的太阳能系统，其特征在于，还包括与所述第二蓄水水箱（8）通过底部连通管路连通的第一蓄水水箱（5）。

3.根据权利要求2所述的太阳能系统，其特征在于，所述第二蓄水水箱（5）的上部设有连接于所述冷水水箱（7）的溢流管路。

4.根据权利要求1至3任一所述的太阳能系统，其特征在于，配有检测所述上水管路内水温的第一传感器，且因应该传感器，所述冷水水箱（7）通过设有第二电磁阀的防冻循环管路（4）连接于供水管路，以在所述上水管路水温低于设定温度时，启动防冻循环。

5.根据权利要求1至3任一所述的太阳能系统，其特征在于，所述冷水水箱（7）设有用于检测其内储水温的第二传感器，且该冷水水箱通过设有因应于第二传感器的第三电磁阀的蒸汽管路，以在冷水水箱（7）内水温低于设定温度时，对其蒸汽加热。

6.根据权利要求5所述的太阳能系统，其特征在于，所述锅炉水箱（14）还通过设有第四电磁阀的锅炉供水管路（13）连接于所述水源管路，且相应地，所述锅炉水箱内设有检测锅炉水箱水位的锅炉水箱水位传感器（15），以在锅炉水箱水位低于设定水位时，开启所述第四电磁阀进行水源供水。

7.根据权利要求1至3任一所述的太阳能系统，其特征在于，所述第二蓄水水箱（8）备有连接于所述供水管路的备用管路（11），且该备用管路（11）设有手动阀门，以在供水管路接入锅炉水箱（14）故障时启用所述备用管路（11）。

8.根据权利要求1至3任一所述的太阳能系统，其特征在于，所述第二蓄水水箱（8）与所述锅炉间设有带有截止阀的维修备用管路（17）。

9.根据权利要求1至3任一所述的太阳能系统，其特征在于，所述上水管路冗余有带有备用上水设备的备用上水管路。

10.根据权利要求1至3任一所述的太阳能系统，其特征在于，系统所配置传感器基于分散布置的接线柜分散连接，分散布置的接线柜则通过中继转接至中控柜，中控柜进一步连接有监控显示终端，形成对传感器采集信息的集中显示。

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