CC BY
32
УДК 620.9
DOI: 10.14529/power210110
РАЗРАБОТКА ДИСТАНЦИОННОГО МОНИТОРИНГА ДЛЯ СИСТЕМ СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
М.М. Кунелбаев
Институт информационных и вычислительных технологий КН МОН РК, г. Алматы, Республика Казахстан
В данной статье представлен новый способ разработки стационарной системы дистанционного мониторинга для систем солнечного теплоснабжения, которые могут быть применены для обогрева и горячего водоснабжения промышленных и бытовых помещений. Для разработки системы использовалась плата T-Call ESP 32 SIM800L с датчиком BME280, которая может работать в режиме глубокого сна. Плата начинает подключаться к Интернету с помощью тарифного плана SIM-карты. Он публикует показания датчиков на сервер и снова переходит в спящий режим. В нашем примере время сна составляет 60 минут, но можно также легко изменить его в коде. Предложенная система дистанционного мониторинга и управления позволяет повысить эффективность использования систем солнечных коллекторов, используемые для обогрева и горячего водоснабжения промышленных и бытовых помещений.
Ключевые слова: солнечный коллектор, контроллер управления, T-Call ESP 32 + SIM 800L, мониторинг, солнечное теплоснабжение.
Введение
Возобновляемые источники энергии стабильны и способны удовлетворить текущие и будущие прогнозируемые глобальные потребности в энергии без каких-либо особых воздействий на окружающую среду. Для устойчивого удовлетворения потребностей мировой энергетики возобновляемые источники энергии, такие как солнечная энергия, ветер, гидроэнергетика и биогаз, являются подходящими альтернативами. Лучшая альтернатива для удовлетворения растущего спроса на энергию - солнечная энергия. Преобразование солнечного излучения в тепло является одним из самых выгодных и непосредственных способов использования солнечных коллекторов. Здесь вопросы возникают в связи с эффективностью и целесообразностью предложенных систем.
В [1-3] разработали электронное оборудование для управления работой солнечной электростанции путем определения физических параметров и управления исполнительными системами для открытия или закрытия электрических клапанов и включения или отключения вспомогательных систем отопления. Кроме того, блок управления может управлять набором визуальных или звуковых сигналов обратной связи для сообщения о неисправностях и запроса на обслуживание.
Разработанная система мониторинга доступна через персональный компьютер с помощью кабеля RS232 и с мобильных устройств на базе Android, подключенных к сети Интернет, используемых для удаленного мониторинга. В работе [4] исследователи представили интеллектуальную систему управления энергопотреблением дома на основе устройства ZigBee, а также с модулей программируемого логического контроллера для мониторинга выработки возобновляемой энергии. M. Pasa-
montes et al. [5] разработали динамическую гибридную модель для солнечных энергетических установок, состоящую из солнечного теплового плоского коллекторного поля. С целью максимизации эффективности использования и выработки энергии программируемые системы мониторинга объектов производства энергии приобретают все большее значение в случае сбоя [6]. В работе [7] исследователи разработали подход, который заключается в проектировании и разработке надежных, эффективных, гибких, экономичных в реальном времени и реалистичных сетей датчиков для систем «умного дома». В статье [8] представлены некоторые из последних тенденций в области разработки многопоточных преобразователей постоянного тока. Изучены и анализированы методы синтеза многоходовых преобразователей, их принципы работы, достоинства и недостатки. В работе [9] была разработана и исследована система «умного дома» с встроенными датчиками, контролируемыми с помощью GSM, которые были необходимы для безопасности. В работе [10] разработана система записи, визуализации и управления интеллектуальной домашней системой, которая использует солнечные и ветровые энергетические ресурсы, а также регистрирует и управляет энергопотреблением каждого устройства. В работе [11] исследователи предложили интеллектуальную систему для энергосистемы удаленного мониторинга, контроля и планирования источников энергии с помощью мобильных устройств на базе Android. В работе [12] рассматривается исследование конвективного теплообмена в плоских пластинчатых солнечных коллекторах. Получены зависимости критерия Нуссельта в круглых и плоских трубах, которые показывают, что соответствующие уравнения позволяют с соответствующей
точностью определять интенсивность теплопередачи для всех жидкостей. Также был изучен критерий Прандтля для жидкостей, который играет важную роль в расположении точек относительно кривой. В каждом случае линии имеют наконечник 1/3, так как в данном исследовании рассматривались только ламинарные условия.
1. Метод исследования
Система солнечного теплоснабжения с контроллером была построена в Институте информационных и вычислительных технологий в г. Алма-ты, Республика Казахстан (широта 45°24'5" с. ш., долгота 9°14'58" Е).
Устройство было разработано с использованием беспроводной системы приема передачи данных, что дешевле, чем имеющиеся доступные решения, и проще в реализации. Это позволяет избежать проблем со связью с устройств как внутри здания, так и удаленных от солнечных коллекторов. Система предусматривает установку внешнего теплообменника, предназначена для моделирования потребления горячей воды или температуры рассеивания тепла внутри котла, может определить превышение фиксированных значений, установленных в качестве максимального порога, для выбранных режимов работы.
С учетом необходимости повышения эксплуатационных характеристик установки разработана принципиальная схема двухконтурной солнечной установки с тепловым насосом (рис. 1).
Работа предлагаемой установки осуществляется следующим образом. Солнечная энергия Е с температурой ^ поглощается гелиоколлектором 1 с температурой нагревая поток солнечной энергии, проходит через светопрозрачный изоляционный стеклопакет 2. Тепло, полученное от солнеч-
ного потока, нагревает жидкость в змеевиках 3, которая удаляется из коллектора, а на ее место поступает холодная вода из трубопровода с вентилем для холодной воды 8, а из сифона бака дозатора 7 происходит постоянная термосифонная циркуляция с помощью циркуляционной трубы 10. Далее жидкость попадает в тепловой насос 11, который состоит из испарителя 12 конденсатора с температурой t2, в котором теплообменник выполнен в виде спирали, поглощая тепло теплоносителя, опускает его температуру ниже температуры атмосферного воздуха (02) с помощью дросселирующего клапана 14, тем самым способствуя дополнительному поглощению тепла из атмосферного воздуха. В схеме также показано солнечное излучение, отраженное от полупрозрачного покрытия (0О) и поверхности поглощающей панели (01). В тепловом насосе осуществляется передача энергии теплоносителя с относительно низкой температурой к теплоносителю теплообменника конденсатора 15 в виде спирали с более высокой температурой которая увеличивает площадь, а также интенсивность теплообмена. Для осуществления такого цикла используется компрессор 13 с температурой tз с электроприводом 17. Далее посредством теплообменника конденсатора 15 с температурой t4 тепло от теплового насоса (05) передается в бак-аккумулятор теплообменника 06 с температурой t6 системы отопления 18. Так как установка имеет два контура, она снабжена автоматическими циркуляционными насосами 19 и 20 для циркуляции жидкости между гелиоколлектором и испарителем, конденсатором и баком-аккумулятором. Температура воды доводится до требуемого технологического уровня и подается потребителю на цели горячего водоснабжения и отопления [13].
Рис. 1. Принципиальная схема двухконтурной гелиоустановки с термосифонной циркуляцией
2. Прототип модульного контроллера
для солнечной тепловой системы
Контроллеры, предназначенью для управления солнечными тепловыми установками в частности, должны характеризоваться модульной структурой. Это позволяет обновить функциональность контроллера с дальнейшим развитием установки. В этом пункте представлен пример прототипа модульного солнечного контроллера, основанного на свободно программируемой платформе.
Для создания и исследования платформы мониторинга тепловой системы управления солнечной установки, основанной на использовании платформы T-Call ESP 32 + SIM 800L, описан принцип работы каждого элемента, из которого будет выполнен контроллер сетевого управления и
мониторинга.
На рис. 2 показан цифровой измеритель температуры DS18B20, особенностью которого является то, что цифровой измеритель температуры имеет разрешение преобразования 9-12 разрядов и функцию тревожного сигнала контроля за температурой. Параметры контроля могут быть зада-
ны пользователем и сохранены в энергонезависимой памяти датчика. DS18B20 обменивается данными с микроконтроллером по однопровод-ной линии связи, используя протокол интерфейса 1-Wire. Питание датчик может получать непосредственно от линии данных, без использования внешнего источника. В этом режиме питание датчика происходит от энергии, запасенной емкостью.
На рис. 3 показаны часы реального времени-Real Time Clock Модуль с батарейкой (DS1307) -это маломощные, полные двоично-десятичные часы, календарь (BCD) плюс 56 байт SRAM. Часы и календарь предоставляют информацию о секундах, минутах, часах, дне, дате, месяце и годе.
На рис. 4 показаны твердотельные реле серии S108T02, которые представляют собой интеграцию инфракрасного излучающего диода (IRED), детектора Фототриака и основного выходного си-мистора. Эти устройства идеально подходят для управления высоковольтными нагрузками переменного тока с твердотельной надежностью при обеспечении изоляции 3,0 кВ (Viso(rms)) от входа до выхода.
Рис. 2. Цифровой измеритель температуры DS18B20
Рис. 3. Часы реального времени- Real Time Clock Модуль с батарейкой (DS1307)
На рис. 5 представлена платформа T-Call V1. 3 ESP32. Это беспроводной модуль GPRS с антенной и SIM-карта SIM800L модуль. Чипсет: ESPRESSIF-ESP32 (Wi-Fi и Bluetooth) 240 МГц Xtensa одно-/двухъядерный 32-битный микропроцессор LX6. Модульный интерфейс: UART с, Сио, поддержка SDIO, с I2C, светодиодные ШИМ, телевизора ШИМ, при I2S, IRGPIO, АЦП, конденса-
тор, сенсорный датчик, предварительный усилитель DACLNA.
3. Результаты
На рис. 6 представлена принципиальная схема соединения T-Call ESP 32 + SIM 800L с датчиками системы управления контроллером.
В настоящем исследовании шесть цифровых
fritztng
Рис. 6. Принципиальная схема соединения T-Call ESP 32 + SIM 800L с датчиками системы управления контроллером
температурных датчиков (Dallas DS18B20) 2, 3, 4, 5, 6, 7 регистрируют температуры плоского солнечного коллектора с термосифоном. Датчики контролируются программируемой логистической интегральной схемой 1 T-Call ESP 32 + SIM 800L, содержащей двухъядерный 32-разрядный микропроцессор. Записи показаний температур, хранящиеся на ETHERNET modul 9, каждые 5 с отправляются модулем 10 вместе с состояниями клапанов. Часы реального времени (RTC) 8 записывают дату и время измерений температурных данных, отправляя их на программируемую логистическую интегральную схему T-Call ESP 32 + SIM 800L. Шесть датчиков подключены к плате T-Call ESP 32 + SIM 800L шестью электрическими проводами, запрограммированной на языке VHDL, чтобы после обработки данных температуры, даты и времени, полученных от RTC 8, соответственно, сохранить их в XML.
Язык XML облегчает обработку этих данных путем автоматической или ручной интерпретации
программ электронных таблиц данных. Температурные данные, дата, время и состояния клапанов системы работы установки отображаются на дисплее 11.
На рис. 7 представлена принципиальная схема контроллера на платформе T-Call ESP 32 + SIM 800L [14].
На рис. 8 представлен контроллер управления гелиосистемой [14].
В таблице представлены технические характеристики контроллера управления гелиосистемой.
На рис. 9 представлена система сетевого сбора, хранения и обработки информации от солнечных коллекторов. В контроллере управления солнечным коллектором имеется процессор T-Call ESP 32 + SIM 800L 1, который инициализирует и начинает сбор данных температуры солнечного коллектора 2 и состояния реле клапанов в контроллере управления 3. После работы вышеуказанного процесса процессор T-Call ESP 32 + SIM 800L подключается к Ин-
Рис. 7. Принципиальная схема контроллера на платформе T-Call ESP 32 + SIM 800L [14]
Рис. 8. Контроллер управления гелиосистемой [14]
Рис. 9. Система сетевого сбора, хранения и обработки информации от солнечных коллекторов
Технические характеристики контроллера управления гелиосистемой
Размеры, мм 120x120x23
Питание, В АС110 / АС220
Потребление, Вт < 3
Точность измерения температуры, °С -/+2
Диапазон измерения температуры коллектора, °С -10...+220
Диапазон измерения температуры бака, °С 0...+Ш
Максимальная мощность насоса, Вт 3 шт. < 300
Входы 1 шт. pt1000, 2 шт. ntc10k
Выходы (реле для насоса, клапана, ТЭНа) 10 А
Рабочие температуры, °С -10...+50
Класс водозащиты IP40
тернету 4. После подключения к Интернету 4 процессор T-Call ESP 32 + SIM 800L-1 соединяется с доменом с протоколом передачи гипертекста (HTTP) 5. Отправляются данные о температурах и состоянии реле клапанов контроллера управления в базу данных 6. С базы данных 6 извлекаются данные с помощью PHP script. Извлеченные данные сохраняются в базе данных 8. Сохраненные данные интерпретируются в веб-интерфейсе для пользователей 9. Веб-интерфейс работает для мобильного варианта и персонального компьютера [15].
На рис. 10 представлена схема дистанционного мониторинга солнечного коллектора [15].
На рис. 11 представлена стационарная система дистанционного мониторинга солнечного кол-
лектора. Связь между клиентом и сервером осуществляется с помощью специального протокола передачи гипертекста (HTTP). В этом протоколе клиент инициирует связь, делая запрос на определенную веб-страницу с помощью HTTP. Одна из самых значимых особенностей T-Call ESP 32 + SIM 800L заключаются в том, что процессор подключается автоматически к Интернету и действует как веб-сервер, а также устройство изменяет динамическое местоположение коллекторов и контроллера и позволяет отправлять данные на Интернет или на веб-сервер. Это возможно потому, что ESP32 может работать в трех различных режимах: режим станции, режим мягкой точки доступа и оба одновременно. Это обеспечивает возможность построения сетчатых сетей.
Рис. 10. Схема дистанционного мониторинга солнечного коллектора [15]
Рис. 11. Стационарная система дистанционного мониторинга солнечного коллектора
Заключение
В этой статье представлена стационарная система дистанционного мониторинга данных, получаемых от солнечных коллекторов, для создания надежной системы сбора данных солнечной энергии в реальном времени и оптимизации работы системы солнечного тепло- и горячего водоснабжения. Стационарная система дистанционного мониторинга на базе солнечных коллекторов имеет разумную структуру, функциональность и может эффективно осуществлять управление как с отдельным гелиоколлектором, так и сетью солнечных
коллекторов. Система отображает интерфейс мониторинга на месте, базу данных, динамические данные, исторические данные, динамическую кривую и информацию мониторинга солнечного коллектора в режиме реального времени, а также позволяет дистанционно регулировать рабочее состояние и устанавливать рабочие параметры солнечного коллектора.
Работа поддержана грантом МОН РК BR05236693, выполненным в Институте информационных и вычислительных технологий КН МОН РК по договору № 318 от 30.03.2018 г.
Литература/References
1. Visconti P., Lay-Ekuakille A., Primiceri P., Cavalera G. Wireless Energy Monitoring System of Photovoltaic Plants with Smart Anti-Theft solution integrated with Household. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, 2016, vol. 9, iss. 2, pp. 681-708. DOI: 10.21307/ijssis-2017-890
2. Viswanath S., Belcastro M., Barton J., O'Flynn B., Holmes N., Dixon P. Low-Power Wireless Liquid Monitoring System Using Ultrasonic Sensors. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, 2015, vol. 8, no. 1, pp. 26-44. DOI: 10.21307/ijssis-2017-747
3. Sanz-Bobi M.A. Use, Operation and Maintenance of Renewable Energy Systems, Green Energy and Technology. Experiences and Future Approaches. Springer Int. Publishing, 2014. 385 p. DOI: 10.1007/978-3-31903224-5
4. Han J., Choi C.S., Park W.K., Lee I., Kim S.H. Smart Home Energy Management System Including Renewable Energy Based on ZigBee and PLC. IEEE Transactions on Consumer Electronics, 2014, vol. 60, no. 2, pp. 198-202. DOI: 10.1109/icce.2014.6776125
5. Pasamontes M., Alvarez D.J., Guzman J.L., Berenguel M., Camacho E.F. Hybrid modeling of a solar-thermal heating facility. Solar Energy, 2013, vol. 97, pp. 577-590. DOI: 10.1016/j.solener.2013.09.024
6. Ghayvat H., Liu J., Babu A., Alahi E., Gui X., Mukhopadhyay S.C. Internet of Things for smart homes and buildings: Opportunities and Challenges. Australian Journal of Telecommunications and the Digital Economy, 2015, vol. 3, iss. 4, pp. 33-47. DOI: 10.18080/ajtde.v3n4.23
7. Ghayvat H., Mukhopadhyay S., Gui X., Suryadevara N. WSN- and IOT-based smart homes and their extension to smart buildings. Sensors Journal (Switzerland), 2015, vol. 15, iss. 5, pp. 10350-10379. DOI: 10.3390/s150510350
8. Rehman Z., Al-Bahadly I., Mukhopadhyay S. Multiinput DC-DC converters in renewable energy applications - An overview. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2015, vol. 41, pp. 521-539. DOI: 10.1016/j.rser.2014.08.033
9. Zhenghua X., Guolong C., Li H., Song Q., Hu L., Lei C., Youwen M., Yexiang X. The Smart Home System based on the IAP15F2K61S2 and GSM. International Journal on Smart Sensing and Intelligent Systems, 2014, vol. 7, no. 4, pp. 1789-1806. DOI: 10.21307/ijssis-2017-733
10. Jiju K., Brijesh P., Ramesh P., Sreekumari B. Development of Android based on-line monitoring and control system for Renewable Energy Sources. IEEE Proceeding of Int. Conf. on Computer, Communication and Control Technology (I4CT), 2014, pp. 372-375. DOI: 10.1109/i4ct.2014.6914208
11. Pattanayak A.S., Pattnaik B.S., Panda B.N. Implementation of a smart grid system to remotely monitor, control and schedule energy sources using Android based mobile devices. IEEE Proceeding of 9th Int. Conf. on Industrial and Information Systems (ICIIS), 2014, pp. 1-5. DOI: 10.1109/iciinfs.2014.7036599
12. Amirgaliyev Y., Kunelbayev M., Kalizhanova A., Amirgaliyev B, Kozbakova A, Auelbekov O., Kataev N. Study of convective heat transfer in flat plate solar collectors. WSEAS Transactions on Systems and Control, 2019, vol. 14, pp. 129-137.
13. Пат. 2018/0209.1 Республика Казахстан. Двухконтурная гелиоустановка с термосифонной циркуляцией / Е.Н. Амиргалиев, М.М. Кунелбаев, О.А. Ауелбеков, Н.С. Катаев, А.У. Калижанова, А.Х. Козба-кова; заявитель и патентообладатель Е.Н. Амиргалиев, М.М. Кунелбаев, О.А. Ауелбеков, Н.С. Катаев, А.У. Калижанова, А.Х. Козбакова. № 33741; заявл. 04.04.2018; опубл. 02.07.2019. [Amirgaliyev Ye.N, Kunelbayev M.M, Auelbekov O.A, Katayev N.S, Kalizhanova A.U, Kozbakova A.Kh. Dvuchkonturnaya gelioustanovka s termosifonnoi sirkulyasieyi [Dual-circuit solar unit with thermosiphon circulation]. Patent RK, no. 33741, 2019.]
14. Пат. 2020/0650.2 Республика Казахстан. Система дистанционного мониторинга солнечных коллекторов / Е.Н. Амиргалиев, М.М. Кунелбаев, Т.Р. Сундетов, С.М. Даулбаев, Т.Ж. Мерембаев; заявитель и патентообладатель Е.Н. Амиргалиев, М.М. Кунелбаев, Т.Р. Сундетов, С.М. Даулбаев, Т.Ж. Мерембаев. № 5591; заявл.13.07.2020; опубл. 20.11.2020. [Amirgaliyev Ye.N, Kunelbayev M.M, Sundetov T.R, Daulbayev S.M, Merembayev T.Zh. Sistema distansionnogo monitoringa solnechnyh kollektorov [Remote monitoring system for solar collectors]. Patent RK, no. 5591, 2020.]
15. Пат. 2019/0161.2 Республика Казахстан. Контроллер управления гелиосистемой / Е.Н. Амиргалиев, М.М. Кунелбаев, Т.Р. Сундетов, О.А. Ауелбеков, С.М. Даулбаев, Н.С.Катаев; заявитель и патентообладатель Е.Н. Амиргалиев, М.М. Кунелбаев, Т.Р. Сундетов, О.А. Ауелбеков, С.М. Даулбаев, Н.С. Катаев. № 4012; заявл.21.02.2019; опубл. 28.05.2019. [Amirgaliyev Ye.N, Kunelbayev M.M, Sundetov T.R, Auelbekov O.A, Daulbayev S.M, Katayev N.S. Konroller upravleniya geliosistemoi [Control controller of solar system]. Patent RK, no. 4012, 2019.]
Кунелбаев Мурат Меркебекович, старший научный сотрудник, Институт информационных и вычислительных технологий КН МОН РК, г. Алматы, Республика Казахстан; murat7508@yandex.kz.
Поступила в редакцию 9 ноября 2020 г.
DOI: 10.14529/power210110
DEVELOPMENT OF REMOTE MONITORING FOR SOLAR HEATING SYSTEMS
M.M. Kunelbayev, murat7508@yandex.kz
Institute of Information and Computational Technologies CS MES RK, Almaty, Republic of Kazakhstan
This article presents a novel method for developing a stationary remote monitoring system for solar heating / hot water supply systems designed for industrial or residential use. The system is based on a T-Call ESP 32 SIM800L board with a BME280 sensor that can operate in deep sleep mode. The logic board contains a SIM card to connect to the Internet on a data plan. It communicates sensor readings to the server and goes back to sleep mode. The presented case has 60 minutes of sleep, which can be reconfigured easily in the code. The proposed system of remote monitoring and control enables more efficient utilization of solar collector systems for industrial and residential heating and hot water supply.
Keywords: solar collector, logic controller, T-Call ESP 32 + SIM 800L, monitoring, solar heating.
This work was supported by a grant from the MES RK BR05236693, carried out at the Institute of Information and Computational Technologies of the CN of the MES RK, under Contract No. 318 dated 03.30.2018.
Received 9 November 2020
ОБРАЗЕЦ ЦИТИРОВАНИЯ
Кунелбаев, М.М. Разработка дистанционного мониторинга для систем солнечного теплоснабжения / М.М. Кунелбаев // Вестник ЮУрГУ. Серия «Энергетика». - 2021. - Т. 21, № 1. - С. 90-98. DOI: 10.14529/power210110
FOR CITATION
Kunelbayev M.M. Development of Remote Monitoring for Solar Heating Systems. Bulletin of the South Ural State University. Ser. Power Engineering, 2021, vol. 21, no. 1, pp. 90-98. (in Russ.) DOI: 10.14529/power210110
