CN103225911A - 太阳能集热控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种太阳能集热控制系统和集热方法。所述集热控制系统包括：多个集热单元、总控单元、光照强度传感器、温度传感器、显示单元。系统会自动结合光照强度的大小和设定的回收频率来来判断集热效率是否正常。本系统可以实时监控集热管的集热效率，当系统集热异常时，系统输出报警信号。所述区间的设定考虑了集热管线路的老化，当前的S值应当与近期的S_i更为接近。

Description

太阳能集热控制系统和控制方法

技术领域

本发明涉及太阳能集热控制系统和控制方法。

背景技术

在现有技术中，太阳能集热单元较多，一般采用PLC技术对所采集的现场参数通过编程来控制太阳能集热系统中各执行机构的运行，从而实现太阳能热水器系统自动控制以及远程控制。往往忽略了太阳能集热单元在实际运行时的集热效率是否正常，没有一个可以反映光照强度和集热效率相关性的功能，然而在集热单元加热能力下降或损坏以及回收泵的电源开关跳闸和回收管道损坏等情况下，控制系统不会做出任何提示或报警。大多数太阳能集热装置都安装在楼顶上维护人员无法判断其好坏，从而导致了过分依赖于电加热来满足系统所要求的温度，如此一来并没有真正意义上的发挥出太阳能节能的目地，因此有必要提供一种能实时监控太阳能集热效率的控制系统，确保了真正意义上的利用太阳能资源。

发明内容

本发明提出一种太阳能集热控制系统和控制方法，解决了现有技术中无法检测集热管集热效率的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：一种太阳能集热控制系统，其特征在于包括：

多个集热单元，所述集热单元用于吸收太阳能；

总控单元；所述总控单元具有时钟电路；

一个以上的光照强度传感器，所述光照强度传感器将太阳的光照强度E输出至所述总控单元；

安装在所述集热单元上的多个温度传感器，所述温度传感器将所述集热单元的温度变化输出值所述总控单元；以及

显示单元，

其中，所述总控单元通过所述温度传感器和所述时钟电路获得集热单元的集热频率f，当E/f超过规定的区间范围时，所述总控单元向显示单元输出报警信号，当E/f在所述区间内时，所述总控单元存储该E/f。

进一步的，所述集热单元经历同样的温差所经历的的时间视为集热周期，该集热周期的倒数记录为集热频率。

进一步的，预设T，所述总控单元设置时钟t，当t大于或等于T时，所述总控单元计算S并更新t；当t小于T时，继续监控，其中，S等于t时间内E/f的均值。

进一步的，所述区间=[C-△,C+△]，其中，C为依据历史存储的S得到的，所述△为允许误差。

进一步的，所述 $C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{S}_i[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]},$ 所述△=AC，所述总控单元存储最近n次的S_i,S_i=E/f，i不大于n，n和A由操作者预设。

一种太阳能集热控制方法，其特征在于包括以下步骤：

记录太阳的光照强度E；

记录集热单元的温度变化，将所述集热单元的温度快速降低视为周期节点，将周期节点出现的频率记录为集热频率f；

当E/f超过规定的区间范围时，输出报警信号，当E/f在所述区间范围内时，存储该E/f。

进一步的，预设T，所述总控单元设置时钟t，当t大于或等于T时，所述总控单元计算S并更新t；当t小于T时，继续监控，其中，S等于t时间内E/f的均值,所述区间=[C-△,C+△]，其中，C为依据历史存储的S得到的，所述△为允许误差,所述 $C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{S}_i[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]},$ 所述△=AC，所述总控单元存储最近n次的S_i,S_i=E/f，i不大于n，n和A由操作者预设。

进一步的，系统每存储一次E/f的同时，删除n次以前的记录，保持主控单元中仅存在n次的历史数据。

进一步的，当f=零时，系统进入睡眠期。

实施本发明的这种太阳能集热控制系统，具有以下有益效果：系统会自动结合光照强度的大小和设定的回收频率来来判断集热效率是否正常。本系统可以实时监控集热管的集热效率，当系统集热异常时，系统输出报警信号。所述区间的设定考虑了集热管线路的老化，当前的S值应当与近期的S_i更为接近。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的太阳能集热控制系统的示意图；

图2为本发明的太阳能集热控制方法的流程图；

图3为图1的温度传感器的温度变化曲线；

图4为图1的集热单元的E与f的关系曲线；

图5展现了S与使用年数的经验曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的本发明的太阳能集热控制系统，其包括：多个集热单元1、总控单元2、光照强度传感器3、温度传感器4、以及显示单元5。

所述集热单元1固定在太阳能集热板上，用于吸收太阳能。其数量可以根据具体太阳能设备设定。

所述光照强度传感器3固定在集热单元1附近，不同集热单元1可以选择共用一个光照强度传感器3，或者根据每个集热单元1位置的不同安装多个。所述光照强度传感器3将太阳的光照强度E输出至所述总控单元。

温度传感器4安装在所述集热单元1内部，所述温度传感器4将所述集热单元1的温度变化输出值所述总控单元2。

显示单元5用于显示报警信号或者模拟温度变化曲线。

其中，所述总控单元2通过所述温度传感器4和所述时钟电路获得集热单元1的集热频率f，当E/f超过规定的区间范围时，所述总控单元2向显示单元5输出报警信号，当E/f在所述区间内时，所述总控单元2存储该E/f。所述主控单元2将所述集热单元1的温度快速降低视为周期节点，将周期节点出现的频率记录为集热频率f。所述区间=[C-△,C+△]，C为依据历史存储的E/f得到的，所述△为允许误差。所述 $C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{S}_i[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]},$ 所述△=AS_i，所述总控单元2存储最近n次的S_i,S_i=E/f，i不大于n，n和A由操作者预设。预设T，所述总控单元2时钟t，当t大于或等于T时，计算S_i并更新所述区间，当t小于T时，继续监控。在本发明中，n可以是5，T可以是半年或者一年，A可以是0.1。

在本发明中，检测E/f是否合格是通过对比C来实现的。而C除了初始值是预设的之外，在正常运营期间是由经验数据得到的。由于不同地点的太阳能接收效率不同，这种设定更易于实际使用。理论上，同一地点的E/f比值函数为第一象限的是双曲线，如图4。但是由于集热单元1经过长期使用后，会存在集热效率降低的问题，即E/f逐渐增大，如图5。所以历史经验数据对当前E/f的影响是不相同的，即第n期记录的S的作用远大于第一期使用时记录的S。所以根据测试，本发明拟合了权重公式，即， $C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{S}_i[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]}.$

使用光照强度传感器3和温度传感器4将现场的太阳光照强度和集热单元1的温度信号传送到相应的模块中。总控单元2将对传送过来的信号进行分析，得出集热单元1的热水回收时间，并据此来判断集热单元1在相应的光照强度下对其内部的水加热的效率高低。在具体实施过程中，热水的回收周期一般是5度，热水每上升五度，就会被回收，即产生温度突降，如图3。集热单元1热水回收周期的设定可根据人机界面以及PC显示单元上显示的集热单元1温度历史曲线频率和太阳照射强度历史曲线数据来分析得出。在太阳能集热系统试运行时便可分析出其值的大小。系统试运行时会根据当地的太阳实际照射强度变化和集热面积的大小将其化分为几个不同的区间，每个区间所对应集热单元热水回收时间设定不同，一但根据现场实际情况设定好每个区间所对应的回收周期后，系统便会自动来判断集热单元在日常运行时是否满足要求。如果出现以下原因如：太阳能集热真空管损坏、管道损坏，集热回收水泵的线路损坏、集热回收水泵控制电源开关跳闸、等等只要能导致集热单元热水回收率下降的故障系统都会自动发出报警信号。并且能显示出是那一组集热单元1。另外系统还对集热装置的辅助电加热部分的控制部分所使用的电能采用多功能电能监测仪通过串口通讯将其传送到人机界面和管理中心便于管理人员对辅助加热以及控制部分所使用的电能进行管理。

如图2所示的本发明的这种太阳能集热控制方法，包括以下步骤：

S01：在试运营期间，操作人员安装调试后，预设C。

S02：操作者根据实际使用情况，预设累计次数n、循环周期T、误差范围A。累计次数越大、循环周期越短、误差范围越小，监控的精度要求越高。

S03：开始运行，设置时钟t。

S04：记录太阳的光照强度E。

S05：记录集热单元的温度变化，温度从上升到突然降低视为一个周期，该周期的对应瞬时频率为f。

S06：判断E/f是否在[C-△,C+△]范围内,如果是，进入S08；如果不是，进入S07。

S07：输出报警信号，进入S09。

S08：存储该E/f，进入S09。

S09：是否小于T，如果是，进入S04；如果不是，进入S10。

S10：计算t时间内的E/f均值，即为S。

S11：存储S，并清除n次以前的记录。所以，在存储单元内，保留依时间顺序排列的S₁至Sn。

S12： $C=\frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{S}_i[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n[{\left(\frac{1+\sqrt{5}}{2}\right)}^i-{\left(\frac{1-\sqrt{5}}{2}\right)}^i]},$ 所述△=AC，其中，S_i为系统最近第i次存储的集热周期与光照强度的比值，n值为预设的存储次数。

S13：清除E、f的记录。

本发明的这种太阳能集热控制系统不仅可以控制整个太阳能集热设备的正常工作外,还采用独立的温度传感器和光照强度传感器将太阳照射强度，将阳光照射强度和每一组集热单元的温度变化数据的大小通过便于观察和分析的历史曲线显示在人机界面以及控制中心的PC界面上，如图3至5所示。系统会根据太阳照射强度和集热速度来自动分析加热效率是否在合理范围之内，如果达不到要求便会发出报警信号，也可通过界面上的太阳照射强度曲线和集热单元温度曲线变化频率来判断太阳能集热装置的加热效率。并且该系统还对辅助加热所使用的电能经过多功能电能监测仪通过串口通讯将其传送到人机界面和管理中心，以便更好的达到节能目地。

在本系统的实施过程中，优选的采用下述的具体硬件。

光照强度传感器3采用西门子光照强度传感器QLS60，用于测量太阳光照强度，工作电压AC24V，DC18～30V，模拟输出信号为DC0～10V，DC4～20mA。温度测量元件采用PT100铂电阻，用于测量每一组集热单元的内部温度，电力监测仪表采用的是具有通功能的多累功能电力监测仪。

主控单元2采用的是台达DVP28SSV11R，模拟量采集模块选择的是台达的DVP04PT-S，温度采集模块选择的是台达的是DVP04AD-S，开关量采集模块选择的是台达的DVP16SM11M，人机界面选择的是台达的DOP-B10E615，以上同一品牌的处理单元大提高了系统运行的稳定性。

基于光照强度传感器以及PLC的太阳能集热效率自动分析及控制系统，不仅可以对水箱的水位、集热温差循环、管道防冻循环、辅助加热、恒压供水、低温回水、泵的无水保护进行智能化控制。最主要的是可对整个太阳能集热系统的集热单元加热效率进行在线分析，并能以最直关的坐标曲线方式和报警提示来帮助管理人员确认太阳能集热装置的节能效果，从而来判断集热单元的好坏。

显示单元5采用台达公司的BOP-B10E615高彩分辨率宽屏人机界面，具有USB快速上下载、支持USB Host、可连接打印机、U盘、鼠标、键盘、支持SDHC卡、支持网络和音效播放。开机后必须正确输入用户名及密码后方可进入管理界面，方便用户管理。正确输入用户名及密码后会自动进入系统管理的主界面，管理人员可根据需要在主界面上选择要进入的子界面。同时主界面上还会显示出每组太阳能集热单元的工作效率报警指示以及系统故障报警指示，并能发出响声。用户可方便判断故障类型。

所述显示单元5可以具有多个显示界面，其中集热单元热水回收效率设定界面、集热效率分析界面、现场测量数据界面、集热运行流程图界面、集热单元参数设定界面、控制系统强制启停界面。

集热单元热水回收效率设定界面可以进行太阳光照度区间设定以及集热单元在对应的照度区间内加热周期设定，如果太阳能集热单元的加热效率达不到设定范围的要求时系统会发出报警信号，管理人员可在主界面发现是那一组集热单元加热效率出了问题。并且此界面还可以显示系统辅助加热以及其它用电设备和电量总合，便于管理人员对实际节能好坏的分析。

集热效率分析界面主要用于管理人员对太阳能集热单元加热效率的分析以及提供对集热单元热水回收效率设定界面设定值大小的依据。

现场测量数据界面是为了方便管理人员实时监控现场数据。

集热运行流程图界面的主要功能是认管理人不需要亲临现场就可以完全了解现场运行状态。

集热单元参数设定界面的功能是用来对太阳能集热系统的运行参数进行设定。

控制系统强制启停界面的功能是用来在特殊情况下对整个太阳能集热系统进行强制手动操作。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种太阳能集热控制系统，其特征在于包括： 

多个集热单元，所述集热单元用于吸收太阳能； 

总控单元，所述总控单元具有时钟电路； 

一个以上的光照强度传感器，所述光照强度传感器将太阳的光照强度E输出至所述总控单元； 

安装在所述集热单元上的多个温度传感器，所述温度传感器将所述集热单元的温度变化输出值所述总控单元；以及 

显示单元， 

其中，所述总控单元通过所述温度传感器和所述时钟电路获得集热单元的集热频率f，当E/f超过规定的区间范围时，所述总控单元向显示单元输出报警信号，当E/f在所述区间内时，所述总控单元存储该E/f。 

2.根据权利要求1所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述主控单元将所述集热单元经历同样的温差所经历的的时间视为集热周期，该集热周期的倒数记录为集热频率。 

3.根据权利要求1或2所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，预设T，所述总控单元设置时钟t，当t大于或等于T时，所述总控单元计算S并更新t；当t小于T时，继续监控，其中，S等于t时间内E/f的均值。 

4.根据权利要求3所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述区间=[C-△,C+△]，其中，C为依据历史存储的S得到的，所述△为允许误差。 

5.根据权利要求4所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，所述 所述△=AC，所述总控单元存储最近n次的S_i,S_i=E/f，i不大于n，n和A由操作者预设。 

6.一种太阳能集热控制方法，其特征在于包括以下步骤： 

记录太阳的光照强度E； 

记录集热单元的温度变化，将所述集热单元的温度快速降低视为周期节点，将周期节点出现的频率记录为集热频率f； 

当E/f超过规定的区间范围时，输出报警信号，当E/f在所述区间范围内时，存储该E/f。 

7.根据权利要求6所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，预设T，所述总控单元设置时钟t，当t大于或等于T时，所述总控单元计算S并更新t；当t小于T时，继续监控，其中，S等于t时间内E/f的均值,所述区间=[C-△,C+△]，其中，C为依据历史存储的S得到的，所述△为允许误差,所述 

所述△=AC，所述总控单元存储最近n次的S_i,S_i=E/f，i不大于n，n和A由操作者预设。 

8.根据权利要求6或7所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，系统每存储一次E/f的同时，删除n次以前的记录，保持主控单元中仅存在n次的历史数据。 

9.根据权利要求7所述的太阳能集热控制系统，其特征在于，当f=零时，系统进入睡眠期。 

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