全智能光伏热水控制系统

阮文韬 RUAN Wen-tao；任晓娜 REN Xiao-na；陈美荣 CHEN Mei-rong；陈中宇 CHEN Zhong-yu

（成都纺织高等专科学校，成都 611731）

0 引言

目前，我国正处在能源绿色低碳化转型升级的关键时期[1]。在能源转型的过程中，单一的能源品种利用已受到多方制约，储能与多能互补融合发展是能源绿色低碳转型的新方向，也将成为我国“十四五”时期能源的重点发展方向[2]。构建安全、高效、清洁、低碳的现代化的能源体系，是推动我国能源革命的根本要求，是促进我国社会经济转型发展的迫切需求[3]。

热水器是每家每户的必备用品。现在，市场上的主流热水器主要以燃气热水器为主，太阳能型的热水器在市场的占比在西部阳光不充足的地区占比较小。同时，目前在市场上的太阳能加热系统，普遍存在太阳能资源利用不充分、光伏板转换效率随板面温度升高而降低的情况。

目前我国的热水器回水系统和恒温系统具有以下不足点：①回水系统不使用时需要关闭阀门，否则热水器循环泵会一直进行加热，造成资源浪费；如果关闭阀门，下次使用时再打开，需要等待几分钟管道内的水才能加热，就没有即开即用的效果。此外，末端始终有冷水存在[4]。②混水阀加流量传感器检测水量进行恒温控制，在压力过小的时候无法点火。

针对上述问题，我团队针对以上缺点进行互补，将太阳能热水器与光伏板结合，在发电同时，利用光伏板所吸收热量，以水为传热介质，储存热量作为生活用水。同时通过互联网技术，让手机移动端和总控端结合，对热水器进行管理达到恒温效果。从而建立一个契合国家绿色能源发展的战略方针，同时运行安全、可靠、稳定、高效率的智能光伏热水控制系统。

1 系统整体设计方案

本系统由发电与电力转换，控制与数据传输，信息互联三大部分组成。控制系统以PLC为控制核心，太阳能与电热混合加热的方式进行加热，通过PLC控制混水系统与回水系统。在阳光照射过程中，光伏板发电加热与热量集热方法加热水箱内水，达到预计温度，同时通过传感器采集当前各个点温度、水位、水压，由PLC收集所有数据信息，并经过PLC精密的计算，输出信号控制各个点的电动阀门，实现温度恒定。采用手机APP实现远程控制和操作面板控制两种功能，并实现实时监控并查看系统状态。

同时本系统采用手机APP远程控制或操作面板控制，可以提前设定温度或临时设定温度，做到即开即来，在APP上还可以实时查看系统状态，并协调整个系统的工作，通过有线信息传输，智能显示系统状态信息及控制水箱温度、用户使用温度等，并且系统内集成了多个温度传感器，以实现精准控温的目标，让用户的体验感达到最佳。

2 硬件系统设计

本系统的电路由两个部分组成：发电与电力装换和控制与数据传输部分。

发电与电力转换部分用来控制光伏板发电的转换和电力储存；控制与数据传输部分用于进行水温的控制与水流大小的调节。

2.1 发电与电力转换部分

发电与电力转换部分系统设计包含水路部分设计部分和电路部分设计部分。

2.1.1 水路部分设计

水路部分包括上水水泵、过滤器、单向止回阀、光伏板集热管、保温储水罐、集热管、微循环水管/水泵。

①上水水泵为整个集热系统注入新水；②过滤器用于过滤水中杂质，减少集热管和储水罐内的杂质沉积；③单向止回阀用于防止系统内的热水倒流至供水管网中，造成热水流失；④光伏板集热管将光伏板白天运行时所吸收的热量传输到储水罐中，以提高系统集热效率。并且可根据用户使用地域环境气候及用水量采用不同的连接方式：并联式适合用水量大，日照强度高的地域用户；串联式适合用水量较小，日照强度较低的地域用户；混合式适用于用水量，日照强度中等的地域用户；⑤保温储水罐用于储存热水；⑥集热管是系统主要集热装置；⑦微循环水管，水泵。在光照强度过大，光伏板温度过高时启动微循环系统，降低面板温度，同时对罐内温度较低的冷水重新加热；在冬天户外温度较低时，通过微循环防止光伏板集热管内冷水冻结。

水路部分原理图如图1所示。

图1 水路部分原理图

2.1.2 电路部分设计

全智能光伏热水控制系统的电路部分包括三个部分：光伏板控制器、蓄电池组和逆变器。

①光伏板控制器：它的主要作用是用于稳定光伏板的输出电压，监控光伏板发电情况，为蓄电池组充电。②蓄电池组：该部分主要用于电力储存。③逆变器：该部分用于将蓄电池组中的直流电转换为家用的220V交流电。当光伏板发电量不充足的时候为电池组充电。

电路部分控制原理图如图2所示。

图2 电路部分控制原理图

2.2 控制与数据传输部分

控制与数据传输部分包括控制主机、辅助加热器、上水水泵、微循环水泵、传感器、无线通讯模块。

①控制主机部分通过外部传感器实时监测系统状态，控制系统上水，循环，加热，电力输出控制，保护，与手机、PC等终端系统进行信息交互；②辅助加热器用于在罐内热水温度为满足需求时加热水箱内热水；③上水水泵在罐内水量不足时及时上水补充；④微循环水泵为光伏板集热管提供循环水，降低面板温度，防止低温冻结；⑤传感器部分用于采集系统及外部环境数据。

3 软件系统设计

3.1 软件系统构成

软件系统包括三个模块：出水模块、回水模块和热水循环预热模块。

出水模块在用户按下洗澡按下工作，PLC控制打开冷热水混水阀，检测冷水压力，当冷水压力达标后，回流泵反转为出水口加压，检测混水阀出水口温度，当温度达标后，混水箱缓冲一下，然后将出水回水阀切换至出水，龙头处电子出水阀打开出水。

回水模块在用户关水后工作，单片机控制关闭冷热水混水阀及电子出水阀，温度传感器检测混水箱内温度，当温度低于设定温度20%时，控制回水阀切换到回水，回流泵工作为回水加压。

热水循环预热模块在用户打开混水阀开始工作，开水热水先循环，检测混水箱温度，当温度达标时，关掉回水系统，直至下一次混水箱温度低于设定温度20%。混水、回水系统原理图如图3所示。

图3 混水、回水系统原理图

3.2 软件系统控制流程

软件系统控制流程包括三个部分：加热控制部分、混水与出水部分以及回水部分。

软件系统控制流程图如图4所示。

图4 软件系统控制流程图

3.2.1 加热控制部分

加热部分功能包括检查主水箱水位、检查主水箱水温、检查光伏板温度、打开循环水泵、紧急加热、检测是否达到100℃、检测设定温度是否达标。

加热部分的功能如下：

首先检测主水箱水位，当水位达标时，检查主水箱水温。如果水位过低，则打开进水阀，进水，直到水箱水位达到标准。其次检测主水箱水温，当水温达标，则检测光伏板温度，如果不达标，则打开进水阀，直至水满后，关掉进水泵，并检测光伏板温度。再次，检测光伏板温度，当光伏板温度过高时，打开循环水泵，进行降温；当光伏板温度过低时，打开紧急加热，直至温度加热到100℃。最后，对水温度进行设定并检查，如果温度过低，进行紧急加热，如果温度达到设定值，进入混水控制流程。

3.2.2 混水与出水部分

混水和出水部分在水龙头端应用新型电磁开关吸入空气，结合软件控制改进了此部分的功能。

当控制流程进入混水部分时，将打开主水箱出水阀，然后再打开冷热水混水泵，将水放入混水灌，等待出水。

3.2.3 回水部分

当温度传感器检测混水箱温度不达标的时候，将进入回水控制部分。进入回水控制流程后，将检测液体温度，当温度低于设定温度时，关掉水龙头并打开回流泵，同时关掉主水箱出水阀，进入加热环节。

4 系统的远程控制界面

为了提升用户使用的体验感，提升生活品质，本系统加入了手机APP，可以实现远程预定温度，实现到家即开即用。该系统通过信息互联可实现实时反馈水温到控制APP，提前准备水温度的预热，来做到即开即用，并针对智慧社区OTO进行研究并加以扩展。本系统远程控制方式主要由手机、APP控制，系统通过远程连接2.4G的WiFi热点与互联网连接，将系统上传至互联网；只要手机端连接到互联网，就可以实时远程查看系统运行状态。

5 结语

该控制系统采用太阳能板吸热以及电热的方式相结合，加入智能混水系统与回水系统，对回水和混水系统进行了优化设计，有效的节约了能源消耗，降低了碳排放。

该控制系统优点总结如下：

5.1 有助于节能减排

全智能热水控制系统，采用多组光伏发电板固定安装在光伏板架上，光伏发电板将太阳能转化为电能储存在蓄电池内，蓄电池可为主水箱供电，而且多组光伏发电板形成的弧形增大了与太阳接触的面积，使得光伏发电板转化电能的效率更高。光伏板转换的能量不仅提供了智能热水控制系统所消耗的电力，同时还能将余电供给日常生活所用，实现余电上网，有效的节约了能源消耗，降低了碳排放。

5.2 提升了用户使用的舒适度

在混水阀冷水端加有压力传感器，在冷水压力不足时，系统检测信号并自动打开回流电机，为水增压，既解决了压力不足的问题，还提升了用户使用的舒适度。

5.3 提升生活品质

增加温度保温循环以及APP远程预热功能，提升生活品质。

5.4 安全可靠

该系统拥有温度异常保护、漏电保护环节，提高了用户使用的安全性。

该控制系统的优点如下：

①保留了原有的机械阀，同时新增一个全新的电磁机械阀（常闭），并结合软件控制，不需人为手操，就能实现末端回水。

②在混水阀冷水端加有压力传感器，在冷水压力不足时，系统检测信号并自动打开回流电机，为水增压，既解决了压力不足的问题，还提升了用户使用的舒适度。

③增加温度保温循环以及APP远程预热功能，提升生活品质。

④拥有温度异常保护、漏电保护环节，提高了用户使用的安全性。

该系统的设计不仅解决了传统热水控制系统的问题，同时还结合“智慧社区O2O”，为广大用户提供了高效、安全、方便、舒适的环境。