太陽能熱水工程系統(tǒng)整體設(shè)計

太陽能作為一種清潔能源,越來越受到人類的重視。在我國，隨著2006年《可再生能源法》的實施，以及近30個各地主管部門所頒布的在公共建筑中或在一定層數(shù)的住宅中強制使用太陽能熱水技術(shù)規(guī)定的執(zhí)行。太陽能熱水系統(tǒng)以每年30%以上的增長速率快速推廣應用。目前，我國是世界太陽能熱利用最大的生產(chǎn)基地和應用市場。 　　本項目針對的是面對這種需求的集中式太陽能熱水工程系統(tǒng)。集中式太陽能熱水系統(tǒng)的太陽能集熱器、貯熱水箱均集中設(shè)置，構(gòu)成建筑熱源系統(tǒng)的一部分。通過熱水供應系統(tǒng)，將熱水輸送到各用水點，所以在住宅中須分戶計量。 　　1集中式太陽能熱水系統(tǒng)存在的問題 　　集中式太陽能熱水系統(tǒng)與分散式太陽能熱水系統(tǒng)相比，太陽能集熱器與貯熱水箱集中設(shè)置，可以提高設(shè)備的使用效率，減少初投資。太陽能集熱器可集中或分區(qū)布置，與建筑相結(jié)合的適應性高，集中輔助加熱對輔助熱源的選擇余地大，可以選擇電加熱、鍋爐加熱、空氣源等其他輔助加熱方式。冷熱水系統(tǒng)同源同區(qū)，恒溫定時供水會在適當提高熱水供應舒適性的同時，降低運行能耗。在確定采用集中熱水供應系統(tǒng)時，太陽能作為主要熱源系統(tǒng)，與常規(guī)熱源系統(tǒng)相比，可大大降低入住率較低時的熱水成本。這種系統(tǒng)目前在學校、賓館、公共浴室中得到廣泛應用，充分體現(xiàn)了太陽能優(yōu)越的性價比。 　　近年來,太陽能熱水工程系統(tǒng)開始從工廠、賓館等場合逐漸地應用到了公寓式建筑、住宅小區(qū)樓房等不能單獨安裝家用太陽能熱水器的場所。而這些場所的應用將涉及太陽能熱水用量、熱能計量、用水費用的分配及物業(yè)或樓宇管理者對太陽能熱水系統(tǒng)的維護等問題。在住宅中采用這種系統(tǒng)，入住率對系統(tǒng)運行能耗和熱水供應價格影響較大，而用戶對集中熱水系統(tǒng)的舒適度要求（如24h熱水供應、恒定的熱水溫度）會更高。若系統(tǒng)不夠完善，就會造成“越不用越貴，越貴越不用”的尷尬局面。 　　2太陽能熱水工程系統(tǒng)整體設(shè)計 　　太陽能熱水工程檢測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和遠程監(jiān)測系統(tǒng)組成。 　　現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)包括各種傳感器和測量儀器、熱能計量儀表、數(shù)據(jù)采集器、現(xiàn)場顯示器、操作人機界面和現(xiàn)場存儲設(shè)備，現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)對現(xiàn)場參數(shù)進行測量，采集并保存至現(xiàn)場存儲設(shè)備里?，F(xiàn)場操作員可以通過現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)進行操作和觀察、讀取數(shù)據(jù)及系統(tǒng)運行狀態(tài)情況。 　　數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)負責現(xiàn)場監(jiān)測和遠程監(jiān)測層之間的數(shù)據(jù)通信，由信源（發(fā)送端）、信宿（接收端）和信道組成。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)由通信電纜線、互聯(lián)網(wǎng)等無線或者有線遠程通信設(shè)備和線路構(gòu)成。 　　遠程監(jiān)測系統(tǒng)由計算機、嵌入式服務器和其他智能設(shè)備及軟件組成。采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息進行處理、存儲和顯示，包括人機操作界面和數(shù)據(jù)庫、圖形圖表的顯示等，以達到人工在線監(jiān)測的目的。 　　系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示： 　　現(xiàn)場監(jiān)測控制系統(tǒng)主要包括系統(tǒng)各個位置的溫度，各種管道的流量、水箱水位、熱量、輔助耗電電能等參數(shù)的測量。系統(tǒng)要在無人值守的時候自動運行，還要對各種用電設(shè)備如水泵、電磁閥等電動設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)進行控制和狀態(tài)反饋。 　　2.1系統(tǒng)溫度測量的分析 　　傳感器對精度和溫度測量范圍有一定的要求，而傳感器的引線也有一定的長度限制，因此必須采用鉑電阻溫度傳感器。而且必須采用3線或者4線制傳感器進行測量，以抵消引線帶來的測量誤差。 　　3線制熱電阻感溫體的一端連接2根引線，另一端連接1根引線，此種引線形式稱為3線制，如圖2所示。當熱電阻與電橋配套使用時，就能較好地消除引線電阻的影響，提高測量精度。 　　該電路的輸出經(jīng)過差分放大電路，將Uo的差分信號進行放大，再提供給檢測系統(tǒng)的12位AD采樣，通過軟件對采樣值進行修正，得到測量溫度的2次修正值，保證了溫度測量的精度。 　　2.2流量測量 　　根據(jù)現(xiàn)場情況，可以考慮采用渦輪流量傳感器、渦街流量傳感器或者超聲波流量傳感器等進行流量測量，輸出的脈沖信號可以直接供給單片機進行頻率測量。再經(jīng)過軟件修正得到流量的測量值。 　　2.3熱量計量 　　在太陽能集熱器的出入口、輔助熱源出入口安裝熱量表進行熱量測量。熱量表帶有通信接口，能夠分別輸出測量到的溫度、流量和熱量值，測量系統(tǒng)可以直接通過通信接口讀取熱量參數(shù)。 　　由于非承壓式太陽能熱水系統(tǒng)的出水與進水的非同時性，其熱量計量不能同時取用戶用水溫度和冷水溫度之差計算。由于一般來說進入的冷水溫度變化不會太大，因此采用最后一次冷水進入水箱結(jié)束時的溫度及其熱焓值進行計算：用戶得熱量等于用戶用水量與當前用水溫度下的熱焓值乘積，減去用戶用水量與最后一次進水結(jié)束的溫度下的熱焓值的乘積之差。 　　2.4電能計量 　　在太陽能熱水工程檢測系統(tǒng)的總供電回路上安裝電能表進行電量測量，采用珠海炬力生產(chǎn)的ATT7022B三相電能計量芯片來實現(xiàn)三相電的電壓、電流、功率的測量。 　　ATT7022B是一款多功能防竊電三相電能計量專用芯片，該芯片適用于三相3線和三相4線的應用。它集成了七路二階sigma-deatlADC，其中3路用于三相電壓采樣，3路用于電流采樣，還有一路可用于零線電流或其他防竊電參數(shù)的采樣、輸出采樣數(shù)據(jù)和有效值，使用方便。它集成了參考電壓電路以及所有包括基波、諧波和全波的各項電參數(shù)測量的數(shù)字信號處理電路。能夠測量各相及合相，包括基波、諧波和全波的有功功率、無功功率、視在功率、有功能量以及無功能量，同時還能測量頻率、各相電流及電壓有效值、功率因數(shù)、相角等參數(shù)，提供2種視在能量(PQS，RMS)。 　　電能采集計量模塊的設(shè)計是以電能計量芯片ATT7022B為核心，包括電壓及電流模擬輸入、脈沖輸出、電源及SPI通信接口等電路的設(shè)計。 　　模擬輸入電路設(shè)計：該部分電路主要由電流、電壓互感器、抗混疊濾波器和參考電壓輸入電路組成。從互感器出來的信號，經(jīng)過濾波處理后，消除了干擾信號，再疊加上1個參考電壓信號，即可送入ATT022B的A／D轉(zhuǎn)換器進行采樣。圖3為ATT7022B電能計量模塊框圖設(shè)計。 　　SPI通信接口電路設(shè)計：ATT7022B內(nèi)部集成了1個SPI串行通信接口，通過該接口可方便地實現(xiàn)與外部微處理器的通信。SPI口包含2條控制線和2條數(shù)據(jù)線，分別為CS，SCLK，DIN和DOUT。ATT7022B與外部MCU的SPI通信接口，如圖3所示。 　　2.5現(xiàn)場采集處理硬件平臺 　　現(xiàn)場采集處理硬件平臺是實現(xiàn)嵌入式Internet接入的基礎(chǔ)，本太陽能熱水工程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的硬件平臺采用ARM代替了傳統(tǒng)的MCU，同時在外圍接入多路溫度、水位、流量監(jiān)測模塊、電壓電流功率因數(shù)監(jiān)測模塊、鍵盤輸入模塊、輸出控制交流接觸器以及網(wǎng)絡通信模塊，整個系統(tǒng)的硬件平臺結(jié)構(gòu)圖如圖4。 　　其中微處理器部分采用基于ARMCORTEX-M3內(nèi)核的STM32F103VCT6，它擁有16KB片內(nèi)靜態(tài)RAM，32位定時器、16路12位ADC，并且擁有多個串行接口，包括3個UART、高速IIC接口和2個SPI接口，通過配置總線，STM32F103VCT6最多可提供76個GPIO。由于STM32F103VCT6內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口，因此在通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器，遠程監(jiān)測以及其他各種類型的應用中非常適合。 　　網(wǎng)絡通信模塊是實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet互聯(lián)的關(guān)鍵，本系統(tǒng)采用的是通用的以太網(wǎng)控制芯片ENC28J60。在此之前，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)可選獨立以太網(wǎng)控制器都是為個人計算機系統(tǒng)設(shè)計的，如RTL8019、AX88796L、DM9008、CS8900A、LAN91C111等。這些器件不僅結(jié)構(gòu)復雜，體積龐大，且價格比較昂貴。目前市場上大部分以太網(wǎng)控制器的封裝均超過80引腳，而符合IEEE802.3協(xié)議的ENC28J60只有28引腳，既能提供相應的功能，又可以大大簡化相關(guān)設(shè)計，減小空間。 　　ENC28J60以太網(wǎng)控制器采用標準的SPI串行接口，只需4條連線即可實現(xiàn)與單片機連接，有利于在小型系統(tǒng)上實現(xiàn)以太網(wǎng)功能。對于沒有SPI接口的芯片通過模擬SPI接口的方式亦十分方便。通過該芯片可實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)。 　　2.6遠程監(jiān)測系統(tǒng)平臺 　　本系統(tǒng)基于近年來新興物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將嵌入式系統(tǒng)與Internet結(jié)合，采用ARM微處理器作為系統(tǒng)實現(xiàn)的核心，同時利用以太網(wǎng)接口芯片構(gòu)建一個嵌入式網(wǎng)絡系統(tǒng)并將其運用到太陽能熱水工程監(jiān)測與控制系統(tǒng)中。克服了傳統(tǒng)模式監(jiān)測方式的局限性，以其優(yōu)異的性能應用于太陽能熱水工程監(jiān)測與控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝與布線更加簡單可靠，具有長時間的停電記憶功能，無需專人管理，可長時間穩(wěn)定工作。 　　本控制系統(tǒng)是太陽能集熱工程的重要組成部分，它采用高集成度單片機控制、大屏幕顯示、人性化設(shè)計、基于Internet遠程監(jiān)測與操作等設(shè)計構(gòu)成一個嵌入式Web服務器，只要用戶有賬號和密碼就可以在任何能上網(wǎng)的地方登入嵌入式Web服務器對太陽能熱水工程的實際情況進行監(jiān)測和控制。 　　同時，將嵌入式Web服務器與B/S結(jié)構(gòu)模型相結(jié)合。其中B/S結(jié)構(gòu)中最底層為數(shù)據(jù)層，負責從采集數(shù)據(jù)；中間層為信息處理系統(tǒng)，負責將實時參數(shù)寫入掛接在這一層的Web服務器中，然后對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析等處理，最后將處理過的數(shù)據(jù)實時地以網(wǎng)頁的形式發(fā)送到第3層客戶端，客戶端可以通過瀏覽器直接監(jiān)測太陽能熱水工程的運行參數(shù)，實現(xiàn)了太陽能熱水工程監(jiān)測與控制系統(tǒng)的的結(jié)合。另外，本系統(tǒng)采用了網(wǎng)頁的實時刷新法，得到實時熱水工程監(jiān)測參數(shù)，實現(xiàn)客戶端與熱水工程監(jiān)測系統(tǒng)之間的交互。 　　本系統(tǒng)還可以通過Internet對多個太陽能熱水系統(tǒng)進行管理和控制，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。 　　2.7軟件系統(tǒng)功能設(shè)計 　　系統(tǒng)軟件主要功能設(shè)計包括： 　　2.7.1遠程數(shù)據(jù)采集功能，能夠定時自動和隨時手動采集各子系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)、設(shè)備工作狀態(tài)等參數(shù)。 　　2.7.2控制現(xiàn)場運行功能，能夠通過自動運行程序，實現(xiàn)無人值守，自動處理運行中出現(xiàn)的問題。保證系統(tǒng)能夠正常運行。 　　2.7.3數(shù)據(jù)處理、分析、顯示功能，對數(shù)據(jù)進行比較，評定是否合格，并計算導出需要參數(shù)，通過示意圖、圖形曲線、表格等多種方式顯示出采集數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)。 　　2.7.4數(shù)據(jù)存儲功能，自動生成并存儲通用數(shù)據(jù)文件，按不同項目存儲在數(shù)據(jù)庫中以便查詢和調(diào)用。 　　2.7.5可以生成統(tǒng)計報表，包括日報表、周報表、月報表、季度報表和年報表等。 　　3系統(tǒng)運行效果 　　本項目研究的主要內(nèi)容是如何實現(xiàn)太陽能熱水工程系統(tǒng)的能量計量。包括集熱系統(tǒng)得熱量、輔助加熱耗能、水循環(huán)能量損失、用戶用熱量的計量。開發(fā)設(shè)計一個遠程監(jiān)測和控制系統(tǒng)，能夠通過Internet網(wǎng)絡對太陽能熱水工程系統(tǒng)進行遠程的監(jiān)控，可以在取得權(quán)限的情況下，在任何能上網(wǎng)的地方對太陽能熱水系統(tǒng)進行監(jiān)控，并獲得每個用戶的熱水用量和費用，每個用戶也可以登錄到系統(tǒng)，對熱水工程的運行情況進行監(jiān)測，web登錄與監(jiān)控界面如圖6所示。 　　4總結(jié) 　　該項目市場需求前景：隨著國家大力扶持新能源產(chǎn)業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能熱水器作為人們必不可少的生活用品將全面進入物聯(lián)網(wǎng)時代，所以本項目產(chǎn)品的市場前景非常廣闊。 　　推廣應用領(lǐng)域：本項目產(chǎn)品屬于新能源及節(jié)能技術(shù)領(lǐng)域，主要運用在賓館、學校、公寓式建筑、住宅小區(qū)樓房、體育館、別墅等場所。 　　在國民經(jīng)濟發(fā)展中的作用：太陽能熱水系統(tǒng)的熱能計量及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的遠程監(jiān)測系統(tǒng)在太陽能熱水工程的運用將深刻改變?nèi)藗儗μ柲軣崴鞯氖褂昧晳T，使我們?nèi)粘Ｉ畹闹悄芑酱蟠筇岣?，在?jié)省人力操作的同時也有利于節(jié)約能源，改善環(huán)境。摘編：韋一笑