作者：张链，田刚，陈子坚，张锦麟
第一作者单位：天津中德应用技术大学 电气与能源学院
摘自《煤气与热力》2016年11月刊
1概述
太阳能热利用发展较早，技术成熟，在全球范围内已经得到了大力发展和推广［1-2］。近年来，太阳能热利用着眼于太阳能集热器［3-5］和太阳能热利用系统的开发［6］。对于太阳能热利用系统中的控制系统，国内外相关学者也进行了一系列的设计与研发［7-11］。本文主要设计与研发可移动式太阳能热利用系统，并对其进行实时数据采集，得出该系统的热能节能量。
2可移动式太阳能热利用系统结构
可移动式太阳能热利用系统由太阳能平板集热器、移动框架、模拟光源、水箱（水箱容积为100 L）、滚轮、控制柜、开关盒、触摸屏等设备组成。图1是该系统的侧视图和正视图（图中尺寸单位为mm），模拟光源安装在灯柱的顶端。太阳能平板集热器和模拟光源均安装在移动框架（长1 600 mm，宽1 100 mm，高1 700 mm）上。太阳能平板集热器与模拟光源的垂直距离为600 mm，模拟光源由卤灯组成，其主要作用是用来模拟太阳光，卤灯发光后模拟太阳光照射到太阳能平板集热器上，使太阳能平板集热器中的管道中的水加热升温。当无教学和测试需要时，可不设模拟光源。水箱安装在移动框架内部，水箱和太阳能平板集热器之间通过管路连接，水在直流水泵的驱动下通过管路在太阳能平板集热器与水箱之间不断循环，同时也在不断传递热量。滚轮安装在移动框架的底部，使系统具有可移动性，提高了本系统的环境适应性。控制柜安装在移动框架的正面，开关盒用于闭合或断开系统的电源，触摸屏用于人机交互。本系统由控制柜、开关盒和触摸屏进行控制。
图1可移动式太阳能热利用系统结构
1.太阳能平板集热器2.灯柱3.移动框架4.水箱
5.滚轮6.触摸屏7.控制柜8.触摸屏开关9.开关盒
该系统正常工作时，光源（太阳光或模拟光源）照射太阳能平板集热器使太阳能平板集热器管道中的水温度升高，之后水通过管路返回水箱，如此循环，可使水箱的水温持续升高。经过一段时间后，水箱中的水温达到需求时，可用于日常生活、系统实验测试及低温发电等工程应用。
3热利用系统原理
热利用系统是可移动式太阳能热利用系统中的一部分，由太阳能平板集热器、水箱、直流水泵、电磁阀、手动阀门、超声波热量表、液位传感器、电加热器等组成，见图2。
图2热利用系统结构
1.太阳能平板集热器2.超声波热量表3.手动阀门
4.出水口5.液位传感器6.外部水源7.电磁阀
8.放气孔9.进水口10.直流水泵11.电加热器
12.水箱DI.数字量输入DO.数字量输出
AI.模拟量输入COM.输出端口
直流水泵不断驱动水在太阳能平板集热器和水箱之间流动，由于该系统水流量较小，为了节省电能，选用功率较小的无刷直流水泵。热量表选用RLC-2型超声波热量表。
水箱中的冷水在直流水泵驱动下，经过超声波热量表后进入太阳能平板集热器，太阳能平板集热器吸收太阳或者模拟光源中的热量，将其内部管道中的冷水加热，继而进入水箱，与水箱中温度较低的水混合，然后水箱中的水流入超声波热量表入口，往复循环，达到将水逐渐加热的目的。水箱的进水口通过管路连接太阳能平板集热器和外部水源，进水口和外部水源之间安装有电磁阀，在电磁阀开启的情况下可以为水箱注水。水箱的出水口通过管路连接手动阀门，可将热水放出使用。水箱中装有液位传感器，可以测量水箱中的液位，同时装有电加热器辅助加热。
超声波热量表、液位传感器将热利用系统中的参数反馈给控制系统，进而调节直流水泵、电磁阀、电加热器的运行。
4控制系统
控制系统由整流桥、变压器、端子排、空气开关、交流接触器、指示灯、继电器、转换模块、I/O采集板、触摸屏等组成。其中整流桥与变压器的主要作用是将220 V的交流电转换成24 V的直流电；端子排的作用就是将屏内设备和屏外设备的线路相连接，起到信号（电流、电压）传输的作用；空气开关主要用于控制电路的闭合或断开；交流接触器用来控制电加热器；指示灯用于显示交流接触器的工作状态；两个继电器分别用来控制直流水泵和电磁阀；触摸屏是一种最新的电脑输入设备，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式；由于超声波热量表采用的是M-Bus协议，而控制系统I/O采集板所用的通信方式为RS485，所以使用转换模块以满足I/O采集板需求；I/O采集板是整个控制系统的核心部分，用于对数据的采集和设备的控制，其端口主要用到模拟量输入（AI）和数字量输出（DO），模拟量输入包括液位传感器的液位值输入，数字量输出包括对电磁阀及水泵等的控制，同时I/O采集板内部还包括模数转换、数模转换芯片以及RS485通信芯片。系统控制柜内的电气控制布局见图3。
图3系统控制柜内的电气控制布局
1.整流桥2.变压器3.端子排4.空气开关5.交流接触器
6.指示灯7.继电器8.转换模块9.I/O采集板
控制系统的主电路主要用于供电：220 V交流电可为模拟光源、交流接触器与电加热器供电，也可经整流桥与变压器转换为24 V直流电，24 V直流电为直流水泵、电磁阀、继电器、超声波热量表、转换模块、液位传感器、触摸屏、I/O采集板供电。在偏远地区或者孤岛上可选择蓄电池来提供24 V直流电。
控制电路通过I/O采集板来进行控制。超声波热量表的数据经过转换同触摸屏的数据一起连接到I/O采集板的COM接口，实现了超声波热量表和触摸屏同I/O采集板的通信。液位传感器的数据通过模拟量输入端口输入到I/O采集板。I/O采集板通过数字量输出端口向交流接触器和两个继电器输出控制信号，从而控制电加热器辅助加热和直流水泵与电磁阀的工作。I/O采集板可以根据所获得的数据自动控制相关输出信号。
本控制系统可实现对热利用系统的控制：
①当水箱内水温低于设定值（可根据情况进行实际设定，例如40℃）时，通过控制系统开启电加热器实现对热水系统的加热，以保证水箱内温度达到设定值。
②当水箱内水温高于设定值，电加热器不开启。
③当水箱内水位低于下限，液位传感器传送信号给控制系统，控制系统开启电磁阀进行补水，同时停止电加热器的运行。
④当水箱内水位高于上限，控制系统控制直流水泵停止运行并且关闭电磁阀。
⑤控制系统可通过热量表实时监控并采集温度、热量、流量等数据。
5系统监控及数据采集
系统监控及数据采集依赖于MCGSE触摸屏组态技术，通过和I/O采集板进行通信，实时监控系统的工作状态并采集温度、热量、流量、热功率的实时数据与历史数据，监控和数据采集界面见图4。
图4监控和数据采集界面
通过实验测试和实时数据采集，可知该系统在过渡季节、晴朗天气情况下的太阳能平板集热器出口的水温可达90 ℃，热能节能量约为8.35 kW·h/d。以该计算值为均值进行年节能量估算，得到该系统每年可节约3 047.8 kW·h/a的热量。
6移动式与固定式的比较
①可移动式太阳能热利用系统主要特点是具备可移动性，从结构方面来说，采用移动框架，移动框架下安装滚轮，移动框架上安装模拟光源。而传统固定式太阳能热利用系统（见图5）一般采用固定支架，不配备滚轮和模拟光源。
图5传统固定式太阳能热利用系统侧视图
②传统固定式太阳能热利用系统靠固定支架支撑，其位置固定，不能根据太阳的位置而改变位置，导致太阳能利用效率较低；而可移动式太阳能热利用系统可以随时改变方位与位置以适应太阳的位置变化，提高系统效率。
③传统固定式太阳能热利用系统一旦安装完成只能满足一个区域的热水需求，并且在出现重大自然灾害时可能会遭到破坏；而可移动式太阳能热利用系统可以根据使用者的需求进行移动，满足不同区域的热水需求，提高了系统的利用率，而且在面对重大自然灾害时可及时转移，不容易被破坏。这些特点在偏远地区、孤岛中尤为显著。
④传统固定式太阳能热利用系统只能用于日常的热水使用，如果用于教学，在阴天情况下只能起到演示作用，不能进行实验实训；而可移动式太阳能热利用系统自带滚轮和模拟光源，在阴天情况下也可用于相关教学中的实验实训（可实现太阳能热利用系统的调试、测试等）。
根据这些对比，可以发现可移动式太阳能热利用系统相比传统固定式太阳能热利用系统，功能更加强大，应用领域更加广泛。
7结论
本文对可移动式太阳能热利用系统进行了设计与测试，并与传统固定式太阳能热利用系统进行比较。可移动式太阳能热利用系统的热能节能量约为8.35 kW·h/d，年可节约热能3 047.8 kW·h/a。可移动式太阳能热利用系统比传统固定式功能更加强大，应用领域更加广泛。该系统可以在室外进行太阳能热利用系统的应用或在室内进行模拟太阳能热利用方面的测试。可满足偏远地区或孤岛日常的生活使用需求。
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