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贡嘎雪山下光热光伏相结合太阳能集中系统——高原地区应用及PLC远程监控系统应用分析

贡嘎雪山下光热光伏相结合太阳能集中系统——高原地区应用及PLC远程监控系统应用分析

作者:珠海兴业新能源科技有限公司/杨涛

  摘要:光伏光热相结合太阳能集中系统适用于公共建筑、学校、住宅、科研单位等民用建筑以及电力短缺的海岛地区。

  1工程概况

  四川康定光伏光热相结合系统位于民风淳朴、风景秀丽的贡嘎雪山下的姑咱镇,姑咱位于四川省甘孜藏族自治州康定市东部,大渡河西岸,北纬29°39′~30°45′,东经101°33′~102°38′,距县城28千米,辖8个村3个居委会,全镇常住人口5万多人,海拔2844米,属干热河谷气候,环境优美、气候宜人、日照条件充足,常年气温15~17℃,是甘孜藏族自治州的文化教育中心和科研基地。

  此工程引进了光伏和光热相结合系统新理念,依靠光伏发电和光热产热新能源,建立更加节能环保的发电热水系统。一方面,实现了“零污染、零排放”的目标;另一方面,对学生从小的新能源科普教育有着重要的意义。

  此光伏光热相结合系统共配置平板集热器60块,光伏光热板40块,在晴好天气依靠太阳能不仅可产出55℃的洗浴热水,并可平均每天发电30kW·h,以供系统自身耗电时所用,多余的电量还可供大楼的其它所用,辅助能源采用3台10P低温空气源热泵。

  2系统主要设备的计算与选型

  2.1太阳能集热器面积选型计算

  太阳能热水系统的集热器采光面积可根据系统的换热方式、日平均用水量、冷热水温度、当地日均倾斜面辐照量、太阳能保证率、集热器全日集热效率等参数进行计算,此系统为间接系统,则可依据《民用建筑太阳能热水系统工程技术手册》式4-9和4-10计算,计算结果如表1所示。

  2.2辅助加热设备选型计算

  空气源热泵相对于传统的热水加热设备具有显著的节能减排效果,其以室外大气作为低位热源,能效较高,一般COP值可达4以上,因此项目位于北方地区,所以此次设计采用兴业低温空气源热泵作为辅助热源,根据计算,热泵配置如表2所示。

  3 PLC远程监控系统应用及系统发电量分析

  在国家大力倡导建设节约型社会和科学技术迅速发展的今天,伴随着太阳能热利用产业的迅猛发展,人们对太阳热水系统智能化控制的要求越来越高。在以信息化、数字化、网络化为基础的新技术条件下,控制系统的网络化将成为太阳热水系统发展的必然趋势。远程控制技术进入太阳能行业以计算机技术、现代通讯技术、自动控制技术和Internet等技术为前提,这些技术的综合运用可以实现对现场物理量的实时监测和访问,并对各种参数和执行设备进行远程监控。本设计中采用“PLC控制器+组态软件+GPRSDTU”的方法,即把成熟的工控技术和先进的远程监控技术结合应用于太阳能热水工程,实现热水工程的远程监控。

  3.1 PLC远程监控系统应用简介

  此光伏光热相结合系统,因项目远在高原深处,交通非常不便,并且现场无Internet网络,故为了降低后期运维费用实现远程监控,此项目采用PLC“控制器+组态软件+GPRSDTU”远程控制系统。通过PLC对现场温度、水位、压力、设备运行状态的实时数据采集发送到监控主机,再通过GPRS无线模块上传到移动网络,用户或运维人员可根据权限通各种移动通信设备(手机、电脑、平板等)实时监控系统运行情况。当系统发生故障或需要调整设备运行参数时,通过远程监控系统便可轻松实现,系统远程监控界面如图1所示。


图1系统远程界面

  3.2 PLC无线监控系统特点

  1.良好的实时响应与处理能力。由于GPRS具有实时在线特性,系统无延时,系统能够同时收取、处理监测点的各种数据,无需轮巡就可同步监测点的时钟,可良好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求;

  2.运程仪器设备控制:由于采用GPRS双向传输系统,监控中心可以反向实现对仪器设备的时间校正、状态报告、开关以及其他监测、控制等功能;

  3.建设成本低:可充分利用现有GSM网络,设备安装即接通,系统投入运行时基本不需要调试,安装简便;

  4.覆盖范围广:监控系统要求数据通信覆盖范围广,扩容无限制,接入地点无限制,能满足山区、乡镇和跨地区的接入要求;

  5.数据传输速率高:GPRS网络传输速率理论上可达171.2kbit/s,实际应用实时数据传输速率在40kbit/s左右;

  6.通信费用低:GPRS可以采用按流量包月计费的方式,运营维护成本低。

  3.3控制系统方案设计

  3.3.1系统主要配置

  光伏光热相结合PLC远程监控系统主要由监控计算机、组态监测软件、PLC控制器、GPRS无线模块、模拟量处理单元、低压配电以及传感器附件等组成。核心设备包括组态软件、PLC控制器和GPRS模块,组态软件可以和目前国际通用的PLC控制器以及带有开放性接口的数字传输设备进行数据传输,可将通过数据总线接入到计算机输入端口的输入信号,通过自身数据库采集并处理,实现数据采集与控制、管理、保护等功能。PLC控制器以及模拟量处理单元选用工业级可靠性、稳定性都较高的产品。系统数据通讯网络结构示意图如图2所示。


GRM200G控制系统1 图2数据通讯网络结构示意图

  3.3.2监控系统工作原理

  1)GPRS无线通信模块通过485与PLC连接,读取被监控设备的状态;

  2)GPRS无线通信模块通过GPRS网络将数据无线发布到巨控云监控服务器;

  3)远程电脑连接INTERNET网络,并安装巨控OPCSERVER。OPCSERVER会自动从巨控云监控服务器获取数据;

  4)组态软件通过OPC接口,即可监视和控制PLC运行,并可记录历史报警和历史数据等关键信息;

  5)电脑手机均能通过网页监控设备,并且可通过手机短信完成报警功能,实现无人值守,远程监控。

  3.3.3监控主要设备选型

  可编程控制器(PLC):PLC采用国际知名品牌西门子S7-200小型PLC进行前段的数据采集和控制;PLCCPU选用CPU224,该机集成24输入/16输出共40个数量I/O点。可连接7个扩展模块,最大扩展至248路数字量I/O点或35路模拟量I/O点。26K字节程序和数据存储空间。6个独立的30KHz高速计数器,2路独立的20KHz高速脉冲输出,具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口,具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。PLC为控制系统的核心部分,用于对现场信号进行实时的采集以及对现场设备的实时控制。PLC和主要扩展模块配置如表3所示。

  PLC中央处理单元(CPU)和各扩展模块输入输出接线图如图3所示:


图3PLC输入输出接线图

  GPRS无线通讯模块:PLC采集的数据通过终端数据无线传输设备DTU进行传输,本项目采用巨控GRM200G无线通讯模块,其实一款专用于PLC远程监控的测控终端。它使用GPRS作为通讯手段,内置网页发布,一个模块可实现PLC的电脑远程控制、短信报警、手机电脑网页浏览等。同时GRM200G自带数字输入/输出、模拟量,可作为PLC模拟量扩展模块,极大地降低系统成本。另该模块采用短信、GPRS、语音三重通讯功能相结合的方式,彻底解决传统GPRS模块不稳定的问题,并通过非透明传输方式,实现多包并发采集、智能压缩数据等先进算法,极大提高了系统的响应速度,降低50%以上的流量费用。将GRM200G和PLC通过485总线互联,即可通过电脑组态软件实现远程监控PLC。

  组态软件:组态软件选用巨控通用组态软件,其运行无点数限制,并可实现以下功能:

  1)查看现场的实时数据。巨控组态软件能读取设备(如PLC,变频器)的内部状态和信息,并将这些信息以非常直观的图形化的形式显示出来,使得对系统的运行情况一目了然。通讯协议支持各种品牌PLC,变频器,智能模块。

  2)可以对数据进行处理,计算,通过脚本语言实现强大的逻辑控制功能和算法。减少PLC控制器所需点数,降低系统成本。

  3)必要时干预生产流程。通过点击、拖动、键盘或在屏幕上的虚拟键盘,巨控组态软件可以通过将数据写入PLC等设备来执行需要的动作。并且可以对操作进行相应安全权限。

  4)查询历史数据。巨控组态可以将读取到的PLC等设备的数据进行保存,并产生各种报表、曲线,对这些数据进行统计分析和报告。

  5)提供Internet远程访问功能,并可提供短信报警和视频监控功能。

  4设计中注意的关键问题

  4.1防冻保护

  本系统为间接强制循环系统,集热系统防冻采用防冻液,根据当地最低气温-10℃,选用25%乙二醇水溶液,以满足太阳能循环管路防冻的要求。另水箱供冷水采用电伴热带防冻,供热水管及回水管在学校放假期间采用排空防冻的方式。

  4.2过热保护

  太阳能热水系统防过热保护,当系统长期无人使用,除会产生水箱过热,破坏水箱等设备外,另因本系统采用防冻液防冻,温度过高会破坏防冻液性能,致使导热效果变差,使本系统在集热管路上设计增加空气散热器以防止系统过热。

  4.3电气选型

  由于本系统安装在大山深处,且本系统为全自动无人值守系统,除系统主要控制设备PLC外,各类传感器、检测元件以及执行元件均需选用性能稳定的优质品牌,以此保证系统稳定、可靠和长期运行。

  5结语

  通过知识的传承和清洁能源的实际使用,我们希望太阳能等新能源概念能融入广大师生的心中,在未来的舞台上,学校的栋梁们能凭借节能、环保的意识,把我们的社会建设得更加清洁,更加环保。

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