一种可变流量太阳能热水控制系统论文和设计-王亚刚

全文摘要

本实用新型公开了一种可变流量太阳能热水控制系统，包括水箱、太阳能集热器和控制器，水箱与太阳能集热器通过管路相连形成循环回路，水箱的出口与太阳能集热器入口的管路上依次设置供水温度探头和循环水泵，水箱的入口与太阳能集热器出口的管路上依次设置回水温度探头和光敏探头，循环水泵、光敏探头、供回水温度探头均与控制器电性连接，控制器包括PLC控制器、变频器、电动机和温差变送器，PLC控制器包括模糊PID控制单元模块。本实用新型针对强制循环太阳能热水系统中循环水泵耗能部分，基于PLC控制的模糊PID控制及变频调速技术开发出随着太阳辐射强度变化而动态变流量的太阳能热水控制系统，降低循环水泵功率，达到节约电能效果，提高工作效率。

主设计要求

1.一种可变流量太阳能热水控制系统，其特征在于，包括水箱、太阳能集热器和控制器，所述水箱与太阳能集热器通过管路相连形成循环回路，所述水箱的出口与太阳能集热器入口的管路上依次设置供水温度探头和循环水泵，所述水箱的入口与太阳能集热器出口的管路上依次设置回水温度探头和光敏探头，所述控制器包括PLC控制器、变频器、电动机和温差变送器，所述PLC控制器包括模糊PID控制单元模块，所述光敏探头与PLC控制器的输入端连接，所述PLC控制器的输出端与变频器的输入端连接，所述变频器的输出端与电动机的输入端连接，所述电动机的输出端与循环水泵的输入端连接，所述供水温度探头和回水温度探头均与温差变送器的输入端连接，所述温差变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接。

设计方案

设计说明书

技术领域

本实用新型属于太阳能热水控制技术领域，尤其涉及一种可变流量太阳能热水控制系统。

背景技术

太阳能热水系统具有显著的节能效果，其加热循环方式分为自然循环方式和强制循环方式，强制循环方式是利用循环水泵将集热器吸收的热量采集传输到储热装置中，该方式效率高，因而在太阳能热水系统中应用最广。强制循环太阳能热水系统中的循环水泵是热量传输的关键设备，运行耗电量大，其耗电量的大小影响整个系统的运行成本。太阳能热水系统中循环水泵的流量与太阳辐射强度有对应关系，而热水系统的进出水温差能直接反映太阳辐射强度，基于此，设计一种根据不同温差控制循环水泵的转速，使循环水泵的流量与太阳辐射强度产生相适应的变化，从而实现高效经济运行的太阳能热水系统具有重要的意义。

当前的太阳能热水系统控制是通过时间控制、光控控制和温差控制三种方式来控制的。时间控制方式是控制系统设定好时间，循环水泵白天开启晚上关闭，这种方式水泵运行与太阳辐射强度、日照、集热器温度无关，即使在阴雨天气情况下也是固定转；光控控制方式是应用光控装置检测太阳辐射强度来控制水泵的开启和停止，当低于设定光控仪阈值水泵停止，高于光控仪设定阈值水泵启动，水泵转速和流量不会随每天不同时段太阳辐射强度的变化而变化。温差控制方式是利用集热器和储热水箱的温差控制，当温差小于设定值时，循环水泵不启动，集热器和储热水箱不换热，当温差大于设定值时循环水泵启动，集热器和储热水箱换热，如此不断循环换热。

由上可知，目前应用的太阳能热水系统的控制部分不能同步季节或每日太阳辐照度的变化。时间控制方式只是简单的时间控制，即白天运行和夜晚停止，循环水泵流量的设计按全年太阳辐射平均值选取，常常在日照较弱或无日照的阴雨天情况下也按额定转速运行水泵，造成无效运行，浪费电能，或者使系统效率降低。温差控制方式室外布置测点较多，控制复杂，问题较多，水泵频繁启停，控制不够精细，系统节能效果一般。光控控制方式中光控仪只检测太阳辐射强度，与继电器配合控制水泵开启和停止，在开启的阈值范围值中，水泵一直固定转速运行，虽然解决了太阳辐照度过小时停止运行，减少无效或效率太低运行情况，但启动运行后水泵转速和流量不会随每天不同时段太阳辐照度的变化而变化，水泵不能调速运行，运行能耗也较大。此外，中国专利申请公开了一种变流量太阳能污水源热泵热水系统，公开号CN102865671A，其提供的太阳能热水系统的集热循环采用定温差控制，设定供回水温差ΔT＝10°c，监测实际值ΔT’反馈后与设定值成比例关系K＝ΔT\/ΔT’，通过K值大于或小于1比较，利用变频泵控制循环水泵满流量和减少流量运转，此方法只简单提出温差控制变频泵思路，控制部分未结合模糊控制方法，难以精准实现。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可变流量太阳能热水控制系统，旨在解决上述背景技术中指出的问题。

本实用新型是这样实现的，一种可变流量太阳能热水控制系统，包括水箱、太阳能集热器和控制器，所述水箱与太阳能集热器通过管路相连形成循环回路，所述水箱的出口与太阳能集热器入口的管路上依次设置供水温度探头和循环水泵，所述水箱的入口与太阳能集热器出口的管路上依次设置回水温度探头和光敏探头，所述控制器包括PLC控制器、变频器、电动机和温差变送器，所述PLC控制器包括模糊PID控制单元模块，所述光敏探头与PLC控制器的输入端连接，所述PLC控制器的输出端与变频器的输入端连接，所述变频器的输出端与电动机的输入端连接，所述电动机的输出端与循环水泵的输入端连接，所述供水温度探头和回水温度探头均与温差变送器的输入端连接，所述温差变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接。

相比于现有技术的缺点和不足，本实用新型具有以下有益效果：本实用新型利用光敏探头采集太阳辐射，将不同的太阳辐射强度转换成变化的电流输出至控制器中，控制器通过模糊PID控制单元模块分析不同太阳辐射强度下热水系统的供水和回水温差，经过模糊推理获得相应输出变量参数，再通过该参数控制系统输出，从而控制变频器和电动机转速，通过变频器和电动机转速的变化调节循环水泵的输出流量的大小，进而调节循环水泵的功率，达到降低循环水泵能耗、节省电能的目的。本实用新型针对强制循环太阳能热水系统中循环水泵耗能部分，基于PLC控制器的模糊PID控制及变频调速技术开发出随着太阳辐射强度变化而动态变流量的太阳能热水控制系统，降低循环水泵功率，达到节约电能效果。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种可变流量太阳能热水控制系统的结构示意图。

图2是本实用新型实施例提供的一种可变流量太阳能热水控制过程的结构示意图。

图3是本实用新型实施例提供的模糊PID控制系统的构成框图。

图4是本实用新型实施例提供的模糊PID控制系统的热水变流量的原理图。

图中：1-水箱；2-太阳能集热器；3-循环水泵；4-光敏探头；5-供水温度探头；6-回水温度探头；7-控制器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参照图1，一种可变流量太阳能热水控制系统，包括水箱1、太阳能集热器2和控制器7，所述水箱1与太阳能集热器2通过管路相连形成循环回路，所述水箱1的出口与太阳能集热器2入口的管路上依次设置供水温度探头5和循环水泵3，所述水箱1的入口与太阳能集热器2出口的管路上依次设置回水温度探头6和光敏探头4，所述控制器7包括PLC控制器、变频器、电动机和温差变送器，所述PLC控制器包括模糊PID控制单元模块。所述光敏探头4与PLC控制器的输入端连接，所述PLC控制器的输出端与变频器的输入端连接，所述变频器的输出端与电动机的输入端连接，所述电动机的输出端与循环水泵3的输入端连接，所述供水温度探头5和回水温度探头6均与温差变送器的输入端连接，所述温差变送器的输出端与PLC控制器的输入端连接。

如图2和3所示，本实用新型利用光电转换、PLC(可编程控制器，含模糊PID控制单元模块)和变频调速技术，在控制系统中配备光敏探头4，接收不同强度的太阳辐射后把光信号转换成不同电信号传给控制器7，应用控制器7中的PLC开关量和定时控制功能，按设定的时间和太阳辐射强度值(阀值)，联合控制系统每天的启停时间。阀值达到系统开启期间，在闭环模糊PID控制单元中，检测太阳能热水系统的供水和回水温度，得到供回水温差值，将供回水温度的温差作为模糊PID控制的输入量，在采样周期内计算出设定值和实测温差值的偏差和偏差变化率，经模糊推理获得相应输出变量参数，用该参数控制系统输出，从而控制变频器和电动机转速，调节循环水泵3的输出流量，改变循环水泵3的功率，达到降低整个系统水泵能耗的目的。

本实用新型通过模糊PID控制单元模块控制系统的热水变流量的原理图如图4所示，利用光敏探头4接收太阳辐射，经过温差变送器得到不同太阳辐照度下的不同强度信号，完成太阳辐射的采集，转化成不同电流，不同电流输入PLC控制器中，依靠PLC开关量和定时控制功能，当太阳辐射强度达不到设定值(阀值)时，控制器7控制循环水泵3不启动，当太阳辐射强度达到设定值(阀值)时，控制器7控制循环水泵3启动。循环水泵3启动后，PLC内置闭环模糊PID控制单元模块，模糊PID控制单元模块设定值是太阳能热水系统供回水温差信号值r，由于太阳辐照度变化，在不同辐照度下实际监测的供回水差值不同，供水温度探头5和回水温度探头6监测太阳能热水系统的供回水温度变化，得到实际供回水监测温差信号值为反馈值y，反馈给模糊PID控制单元模块，得到设定值和监测值，计算偏差e＝r-y，采用二维模糊控制，模糊PID控制单元模块的输入值为偏差值e和偏差的变化率ec＝de\/dt，应用模糊PID参数控制算法，经模糊推理获得相应输出变量参数u，再用该参数精确地控制系统输出，即控制PWM电路的占空比，从而得到相应的4-20mA控制电流输入到变频器，控制变频器频率和电机转速，进而控制循环水泵3的转速，在保持设定扬程下，循环水泵3的流量变化使循环水泵3的功率随之变化。变频器在调速范围内调整循环水泵3的转速，达到调节循环水泵流量的目的。

本实用新型通过将采集的不同的太阳辐射强度转换成变化的电流输出至控制器中，控制器通过模糊PID控制单元模块分析不同太阳辐射强度下热水系统的供水和回水温差，经过模糊推理获得相应输出变量参数，再通过该参数控制系统输出，从而控制变频器和电动机转速，通过变频器和电动机转速的变化调节循环水泵的输出流量的大小，最终起到调节循环水泵功率的作用，达到降低循环水泵能耗、节省电能的目的。本实用新型实现了强制循环太阳能热水系统中的换热流量随太阳辐射强度的变化而变化，使换热量增大，系统效率更高。

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

设计图

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