太陽能工程案例：貢嘎雪山下光熱光伏相結合太陽能集中系統

——高原地區應用及PLC 遠程監控系統應用分析

摘要：光伏光熱相結合太陽能集中系統適用於公共建築、學校、住宅、科研單位等民用建築以及電力短缺的海島地區。

1 工程概況

四川康定光伏光熱相結合系統位於民風淳樸、風景秀麗的貢嘎雪山下的姑咱鎮，姑咱位於四川省甘孜藏族自治州康定市東部，大渡河西岸，北緯29 ° 39 ′~30 ° 45 ′，東經101 ° 33 ′~102 ° 38 ′，距縣城28 千米，轄8 個村3 個居委會，全鎮常住人口5萬多人，海拔2844米，屬乾熱河谷氣候，環境優美、氣候宜人、日照條件充足，常年氣溫15~17℃，是甘孜藏族自治州的文化教育中心和科研基地。

此工程引進了光伏和光熱相結合系統新理念，依靠光伏發電和光熱產熱新能源，建立更加節能環保的發電熱水系統。一方面，實現了「零污染、零排放」的目標；另一方面，對學生從小的新能源科普教育有著重要的意義。

此光伏光熱相結合系統共配置平板集熱器60塊，光伏光熱板40 塊，在晴好天氣依靠太陽能不僅可產出55℃的洗浴熱水，並可平均每天發電30kW·h，以供系統自身耗電時所用，多餘的電量還可供大樓的其它所用，輔助能源採用3 台10P 低溫空氣源熱泵。

2 系統主要設備的計算與選型

2.1 太陽能集熱器面積選型計算

太陽能熱水系統的集熱器採光面積可根據系統的換熱方式、日平均用水量、冷熱水溫度、當地日均傾斜面輻照量、太陽能保證率、集熱器全日集熱效率等參數進行計算，此系統為間接系統，則可依據《民用建築太陽能熱水系統工程技術手冊》式4-9和4-10計算，計算結果如表1 所示。

2.2 輔助加熱設備選型計算

空氣源熱泵相對於傳統的熱水加熱設備具有顯著的節能減排效果，其以室外大氣作為低位熱源，能效較高，一般COP值可達4 以上，因此項目位於北方地區，所以此次設計採用興業低溫空氣源熱泵作為輔助熱源，根據計算，熱泵配置如表2所示。

3 PLC 遠程監控系統應用及系統發電量分析

在國家大力倡導建設節約型社會和科學技術迅速發展的今天，伴隨著太陽能熱利用產業的迅猛發展，人們對太陽熱水系統智能化控制的要求越來越高。在以信息化、數字化、網路化為基礎的新技術條件下，控制系統的網路化將成為太陽熱水系統發展的必然趨勢。遠程控制技術進入太陽能行業以計算機技術、現代通訊技術、自動控制技術和Internet 等技術為前提，這些技術的綜合運用可以實現對現場物理量的實時監測和訪問，並對各種參數和執行設備進行遠程監控。本設計中採用「PLC控制器+ 組態軟體+GPRS DTU」的方法，即把成熟的工控技術和先進的遠程監控技術結合應用於太陽能熱水工程，實現熱水工程的遠程監控。

3.1 PLC 遠程監控系統應用簡介

此光伏光熱相結合系統，因項目遠在高原深處，交通非常不便，並且現場無Internet網路，故為了降低後期運維費用實現遠程監控，此項目採用PLC「控制器+ 組態軟體+GPRSDTU」遠程控制系統。通過PLC 對現場溫度、水位、壓力、設備運行狀態的實時數據採集發送到監控主機，再通過GPRS無線模塊上傳到移動網路，用戶或運維人員可根據許可權通各種移動通信設備（手機、電腦、平板等）實時監控系統運行情況。當系統發生故障或需要調整設備運行參數時，通過遠程監控系統便可輕鬆實現，系統遠程監控界面如圖1 所示。

圖1 系統遠程界面

3.2 PLC 無線監控系統特點

1.良好的實時響應與處理能力。由於GPRS具有實時在線特性，系統無延時，系統能夠同時收取、處理監測點的各種數據，無需輪巡就可同步監測點的時鐘，可良好的滿足系統對數據採集和傳輸實時性的要求；

2. 運程儀器設備控制：由於採用GPRS 雙向傳輸系統，監控中心可以反向實現對儀器設備的時間校正、狀態報告、開關以及其他監測、控制等功能；

3.建設成本低：可充分利用現有GSM網路，設備安裝即接通，系統投入運行時基本不需要調試，安裝簡便；

4.覆蓋範圍廣：監控系統要求數據通信覆蓋範圍廣，擴容無限制，接入地點無限制，能滿足山區、鄉鎮和跨地區的接入要求；

5. 數據傳輸速率高：GPRS 網路傳輸速率理論上可達171.2kbit/s，實際應用實時數據傳輸速率在40kbit/s左右；

6.通信費用低：GPRS 可以採用按流量包月計費的方式，運營維護成本低。

3.3 控制系統方案設計

3.3.1 系統主要配置

光伏光熱相結合PLC遠程監控系統主要由監控計算機、組態監測軟體、PLC 控制器、GPRS無線模塊、模擬量處理單元、低壓配電以及感測器附件等組成。核心設備包括組態軟體、PLC 控制器和GPRS 模塊，組態軟體可以和目前國際通用的PLC 控制器以及帶有開放性介面的數字傳輸設備進行數據傳輸，可將通過數據匯流排接入到計算機輸入埠的輸入信號，通過自身資料庫採集並處理，實現數據採集與控制、管理、保護等功能。PLC 控制器以及模擬量處理單元選用工業級可靠性、穩定性都較高的產品。系統數據通訊網路結構示意圖如圖2所示。

GRM200G 控制系統1

圖2 數據通訊網路結構示意圖

3.3.2 監控系統工作原理

1) GPRS無線通信模塊通過485與PLC連接，讀取被監控設備的狀態；

2) GPRS 無線通信模塊通過GPRS 網路將數據無線發布到巨控雲監控伺服器；

3) 遠程電腦連接INTERNET 網路，並安裝巨控OPCSERVER。OPC SERVER 會自動從巨控雲監控伺服器獲取數據；

4) 組態軟體通過OPC 介面，即可監視和控制PLC運行，並可記錄歷史報警和歷史數據等關鍵信息；

5) 電腦手機均能通過網頁監控設備，並且可通過手機簡訊完成報警功能，實現無人值守，遠程監控。

3.3.3 監控主要設備選型

可編程式控制制器（PLC）：PLC採用國際知名品牌西門子S7-200小型PLC進行前段的數據採集和控制；PLC CPU選用CPU224，該機集成24 輸入/16 輸出共40 個數量I/O 點。可連接7個擴展模塊，最大擴展至248路數字量I/O點或35路模擬量I/O點。26K位元組程序和數據存儲空間。6個獨立的30KHz高速計數器，2路獨立的20KHz高速脈衝輸出，具有PID 控制器。2 個RS485 通訊/ 編程口，具有PPI 通訊協議、MPI通訊協議和自由方式通訊能力。PLC為控制系統的核心部分，用於對現場信號進行實時的採集以及對現場設備的實時控制。PLC 和主要擴展模塊配置如表3 所示。

PLC中央處理單元（CPU）和各擴展模塊輸入輸出接線圖如圖3 所示：

圖3 PLC 輸入輸出接線圖

GPRS 無線通訊模塊：PLC 採集的數據通過終端數據無線傳輸設備DTU進行傳輸，本項目採用巨控GRM 200G無線通訊模塊，其實一款專用於PLC遠程監控的測控終端。它使用GPRS作為通訊手段，內置網頁發布，一個模塊可實現PLC的電腦遠程控制、簡訊報警、手機電腦網頁瀏覽等。同時GRM200G 自帶數字輸入/ 輸出、模擬量，可作為PLC 模擬量擴展模塊，極大地降低系統成本。另該模塊採用簡訊、GPRS、語音三重通訊功能相結合的方式，徹底解決傳統GPRS模塊不穩定的問題，並通過非透明傳輸方式，實現多包並發採集、智能壓縮數據等先進演算法，極大提高了系統的響應速度，降低50%以上的流量費用。將GRM200G 和PLC 通過485 匯流排互聯，即可通過電腦組態軟體實現遠程監控PLC。

組態軟體：組態軟體選用巨控通用組態軟體，其運行無點數限制，並可實現以下功能：

1) 查看現場的實時數據。巨控組態軟體能讀取設備（如PLC，變頻器）的內部狀態和信息，並將這些信息以非常直觀的圖形化的形式顯示出來，使得對系統的運行情況一目了然。通訊協議支持各種品牌PLC，變頻器，智能模塊。

2) 可以對數據進行處理，計算，通過腳本語言實現強大的邏輯控制功能和演算法。減少PLC控制器所需點數，降低系統成本。

3) 必要時干預生產流程。通過點擊、拖動、鍵盤或在屏幕上的虛擬鍵盤，巨控組態軟體可以通過將數據寫入PLC 等設備來執行需要的動作。並且可以對操作進行相應安全許可權。

4) 查詢歷史數據。巨控組態可以將讀取到的PLC 等設備的數據進行保存，併產生各種報表、曲線，對這些數據進行統計分析和報告。

5) 提供Internet遠程訪問功能，並可提供簡訊報警和視頻監控功能。

4 設計中注意的關鍵問題

4.1 防凍保護

本系統為間接強制循環系統，集熱系統防凍採用防凍液，根據當地最低氣溫-10℃，選用25%乙二醇水溶液，以滿足太陽能循環管路防凍的要求。另水箱供冷水採用電伴熱帶防凍，供熱水管及回水管在學校放假期間採用排空防凍的方式。

4.2 過熱保護

太陽能熱水系統防過熱保護，當系統長期無人使用，除會產生水箱過熱，破壞水箱等設備外，另因本系統採用防凍液防凍，溫度過高會破壞防凍液性能，致使導熱效果變差，使本系統在集熱管路上設計增加空氣散熱器以防止系統過熱。

4.3 電氣選型

由於本系統安裝在大山深處，且本系統為全自動無人值守系統，除系統主要控制設備PLC 外，各類感測器、檢測元件以及執行元件均需選用性能穩定的優質品牌，以此保證系統穩定、可靠和長期運行。

5 結語

通過知識的傳承和清潔能源的實際使用，我們希望太陽能等新能源概念能融入廣大師生的心中，在未來的舞台上，學校的棟樑們能憑藉節能、環保的意識，把我們的社會建設得更加清潔，更加環保。

來源：中國太陽能工程》雜誌2月刊「工程案例」欄目P39 作者：珠海興業新能源科技有限公司/楊濤

好文預告

⊙5月25日（周四）將發布：【標準研究】家用太陽能熱水器支架標準研究

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