Микроконтроллер регулировки расхода охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки Российский патент 2023 года по МПК F24S50/00 

Предлагаемое изобретение относится к схемотехнике и может быть использована для регулирования расхода охлаждающей жидкости в гидравлической системе солнечной энергетической установки (СЭУ) в зависимости от температуры теплоносителя на выходе солнечных модулей в точках расположения термодатчиков с целью расширения эксплуатационных возможностей СЭУ за счет улучшения параметров микроконтроллера.

Известна интеллектуальная система управления теплообменным агрегатом (патент CN №204345797 от 19.12.2014 г.), содержащая сеть трубопроводов первичного водоснабжения, сеть трубопроводов вторичного теплоснабжения, циркуляционный насос, насос подпитки воды и контроллер. Датчик давления и датчик температуры на магистральном водопроводе подключены к сигнальному входу контроллера, а датчик давления и датчик температуры на магистральной сети теплоснабжения подключены к сигнальному входу обратной связи контроллера. Выходной конец контроллера соединен с электрическим регулирующим клапаном, преобразователем частоты циркуляционного насоса и преобразователем частоты насоса подачи воды.

Недостатком данного устройства является:

- не оптимизировано для использования в солнечных энергетических установках (используется в области отопления и горячего водоснабжения многоквартирных жилых домов)

Известен автоматизированный индивидуальный тепловой пункт с зависимым присоединением системы отопления и закрытой системой горячего водоснабжения (патент РФ №2673758 от 05.05.2017 г.), содержащая прямой и обратный трубопроводы тепловой сети, подающий и обратный трубопроводы системы отопления, датчики температур подающей и обратной воды системы отопления, датчики температуры наружного воздуха, датчик температуры воды на горячее водоснабжение, датчики температур прямой и обратной воды тепловой сети, датчики температуры внутреннего воздуха в помещении, датчик температуры циркуляционной воды на горячее водоснабжение, между прямым и обратным трубопроводами тепловой сети двухступенчатый водонагреватель горячего водоснабжения, подключенный по смешанной схеме, между прямым трубопроводом тепловой сети и первой ступенью водонагревателя горячего водоснабжения блок регулирования температуры воды на горячее водоснабжение, на трубопроводе циркуляционной воды горячего водоснабжения блок регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, электронный регулятор температуры воздуха в помещении и горячего водоснабжения, входы которого соединены с датчиками температур подающей и обратной воды системы отопления, прямой и обратной воды тепловой сети, температуры воды на горячее водоснабжение и температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, температуры внутреннего воздуха в помещении, температуры наружного воздуха, а выходы подключены к блоку регулирования температуры обратной воды системы отопления, блоку регулирования температуры подающей воды системы отопления, блоку регулирования температуры воды на горячее водоснабжение и блоку регулирования температуры циркуляционной воды горячего водоснабжения, отличающийся тем, что блок регулирования температуры обратной воды системы отопления установлен между подающим и обратным трубопроводами системы отопления, а блок регулирования температуры подающей воды системы отопления - на прямом трубопроводе тепловой сети.

Недостатком данного устройства является:

- не оптимизировано для использования в солнечных энергетических установках (используется в области отопления и горячего водоснабжения многоквартирных жилых домов) - не обеспечивает передачу коротких сообщений (SMS) через сотовую связь GSM о состоянии системы водоснабжения и ошибках в ее работе на мобильные телефоны обслуживающего тепловой пункт персонала.

- электронные блоки и регуляторы теплового пункта не имеют возможности обмениваться данными с ПЭВМ и управляться ею.

Известен автоматический регулятор гидравлического режима тепловой сети (патент РФ №2678225 от 05.05.2017 г.), включающее автоматический регулятор гидравлического режима тепловой сети, включающий прямой и обратный трубопроводы тепловой сети, датчик температуры обратной воды тепловой сети, датчик температуры наружного воздуха, отличающийся тем, что на подающем трубопроводе тепловой сети установлен блок регулирования расхода теплоносителя, введен электронный регулятор гидравлического режима тепловых сетей, входы которого соединены с датчиками температур обратной воды и наружного воздуха, а выходы подключены к блоку регулирования расхода теплоносителя.

Недостатком данного устройства является:

- не оптимизировано для использования в солнечных энергетических установках (используется в области отопления и горячего водоснабжения населенных пунктов).

- не обеспечивает передачу коротких сообщений (SMS) через сотовую связь GSM о состоянии системы водоснабжения и ошибках в ее работе на мобильные телефоны обслуживающего тепловой пункт персонала.

Известен блочный модуль контроля теплопотребления (патент РФ №187444 от 02.11.2018 г.), включающее блочный модуль контроля теплопотребления, содержащий электронный программируемый блок-контроллер, соединенный с циркуляционным насосом, датчиком реле давления для защиты насоса от сухого хода и регулирующим клапаном с электроприводом, датчики температуры теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах, отличающийся тем, что дополнительно содержит предохранительный клапан от превышения давления в системе отопления, установленный в обратном трубопроводе, и датчик регистрации протечек теплоносителя, соединенный через блок контроля протечки теплоносителя с электронным программируемым блоком-контроллером, выполненным с возможностью получения сигнала от датчика температуры воздуха окружающей среды и датчика температуры воздуха в контрольном помещении здания, при этом блок контроля протечки оборудован GSM модемом для передачи оповещения на пульт диспетчера. Недостатком данного устройства является:

- не оптимизировано для использования в солнечных энергетических установках (используется в области отопления и горячего водоснабжения многоквартирных жилых домов).

- реализовано в виде нескольких блоков, выполняющих свои функции. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому

устройству является микроконтроллер регулировки расхода охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки (СЭУ) (патент РФ №184637, 2018 г. ).

Микроконтроллер регулировки расхода охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки, состоящий из аналоговой части измерительных цепей, содержащей источник опорного напряжения, аналоговый мультиплексор, усилитель сигнала температуры, схемы измерения потока и температуры, однокристального микроконтроллера, схемы управления и контроля работоспособности микроконтроллера, схемы индикации и сигнализации, USB-интерфейса и источника питания AC/DC, отличающийся тем, что электронная схема выполнена на печатной плате, установленной в герметичном алюминиевом корпусе, с расположенными на корпусе двумя термовводами, через которые выведены провода подключения микроконтроллера, заканчивающиеся клеммами, влагозащищенным выключателем питания и USB-розеткой.

Недостатком данного устройства является:

- для питания гидравлических насосов стандартным напряжением (~~220 В 50 Гц) необходимо внешнее питание (получаемое не от самого СЭУ)

- отсутствует возможность отправки коротких SMS сообщений о состоянии гидравлической охлаждающей системы СЭУ и ошибках ее работы на мобильные телефоны обслуживающего установку персонала.

- отсутствует возможность принимать сигнал от датчика низкого уровня охлаждающей жидкости.

- отсутствует возможность обмениваться данными с ПЭВМ по интерфейсу RS-485.

- отсутствует возможность обмениваться данными по беспроводному интерфейсу GSM/GPRS с мобильными устройствами (ноутбук, планшет, смартфон).

Цель предлагаемой полезной модели - расширение эксплуатационных возможностей за счет улучшения параметров микроконтроллера, а именно:

- получение стандартного напряжения для питания гидравлических насосов из напряжения, вырабатываемого самой СЭУ;

- передача коротких сообщений (SMS) о состоянии гидравлической охлаждающей системы СЭУ и ошибках в ее работе на мобильные телефоны обслуживающего установку персонала;

- расширение интерфейсов для обмена данными (к USB добавляются интерфейс RS-485 и беспроводной интерфейс GSM/GPRS);

- обработка сигнала датчика низкого уровня охлаждающей жидкости (ОЖ).

Технический результат заключается в том, что посредством регулирования гидравлических насосов, входящих в систему, обеспечивается плавное регулирование потока охлаждающей жидкости (теплоносителя) в гидравлической охлаждающей системе СЭУ в зависимости от ее температуры на выходе солнечных модулей.

Технический результат достигается тем, что в микроконтроллер регулировки расхода охлаждающей жидкости (МРРОЖ), состоящий из однокристального микроконтроллера, схемы управления и контроля работоспособности, схемы индикации и сигнализации, USB-интерфейса, источника питания AC/DC и аналоговой части измерительных цепей, содержащей источник опорного напряжения, аналоговый мультиплексор, усилитель сигнала температуры, схему измерения скорости потока дополнительно введены интерфейс RS-485, беспроводной интерфейс GSM/GPRS, дополнительный источник питания и инвертор, состоящий из нескольких DC/DC преобразователей, схемы управления формирования ШИМ-сигналов и гальванической развязки, драйверов силовых ключей, силовых ключей и фильтра низких частот, а в аналоговую часть измерительных цепей дополнительно введена схема измерения уровня охлаждающей жидкости.

Беспроводной интерфейс GSM/GPRS предназначен для передачи коротких сообщений на мобильные телефоны обслуживающего СЭУ персонала о состоянии и ошибках в работе охлаждающей системы солнечной энергетической установки с применением специализированного модуля Ml О фирмы Quectel с выходом на выносную GSM антенну;

При подключении к ПЭВМ по интерфейсу USB, интерфейсу RS-485 или беспроводному интерфейсу GSM/GPRS возможна настройка параметров МРРОЖ и контроля показаний всех датчиков и режимов работы с помощью специализированного программного обеспечения;

Схема измерения уровня охлаждающей жидкости предназначена для обработки сигнала от датчика низкого уровня охлаждающей жидкости;

Дополнительный источник питания введен для обеспечения работы интерфейса RS-485 и беспроводного интерфейса GSM/GPRS;

Для использования беспроводного интерфейса GSM/GPRS установка SIM-карты производится в специальный слот.

Электронная схема основного блока выполнена на двух печатных платах, установленных в корпусе из поликарбоната, на котором имеется разъем для подключения устройства, индикаторы режимов работы и неисправностей, влагозащищенный выключатель питания, разъем для подключения антенны GSM и закрывающееся отверстие для подключения кабеля USB и для установки SIM-карты.

Инвертор преобразует постоянное напряжение=310±5%В, генерируемое СЭУ, в переменное синусоидальное напряжение -220+10%-15%В с частотой 50 Гц для получения стандартного напряжения питания гидравлических насосов;

DC/DC преобразователи из напряжения, вырабатываемого солнечной энергетической установкой, получают несколько напряжений постоянного тока для питания всех узлов МРРОЖ.

Схема управления, формирования ШИМ - сигналов и гальванической развязки выполняет следующие функции:

- производит включение/выключение силовой части инвертора посредством внешнего сигнала "Сигнал Вкл.";

- формирует ШИМ-сигналы со скважностью, изменяющейся по синусоидальному закону, и выдает их на силовые ключи через драйверы;

- гальванически изолирует функциональные узлы с силовым питанием от узлов со слаботочным питанием=3,3 В.

Драйверы силовых ключей задают необходимые режимы работы транзисторных ключей "Верхних" и "Нижних".

Силовые ключи представляют собой мостовую схему из четырех MOSFET транзисторов с N-каналом для коммутирования силового входного напряжения по управляющим ШИМ-сигналам в нагрузку через фильтр низких частот.

Фильтр низких частот (ФНЧ) представляет собой синусный фильтр, который позволяет получить на выходе синусоидальный сигнал частотой 50 Гц из силового ШИМ-сигнала и ослабить его гармонические составляющие.

Электронная схема инвертора выполнена на двух печатных платах, установленных в корпусе из алюминия, на котором имеются разъемы для подключения устройства и влагозащищенный выключатель питания с подсветкой.

Сущность предлагаемого изобретения показана на рисунках 1, 2.

На рисунке 1 представлена функциональная схема основного блока МРРОЖ СЭУ, где:

1 - Аналоговый мультиплексор

2 - Усилитель сигнала температуры

3 - Источник опорного напряжения

4 - Схема измерения скорости потока

5 - Схема измерения уровня охлаждающей жидкости

6 - Схема индикации и звуковой сигнализации

7 - Источник питания AC/DC

8 - Дополнительный источник питания

9 - USB-интерфейс

10 - RS-485-интерфейс

11 - Беспроводной интерфейс GSM/GPRS

12- Однокристальный микроконтроллер

13 - Схема управления и контроля работоспособности

На рисунке 2 представлена функциональная схема инвертора МРРОЖ СЭУ, где:

14 - Преобразователь=310 В /=12 В

15 - Преобразователь=12 В /=5 В

16 - Преобразователь=12 В /=3,3 В

17 - Схема управления, формирования ШИМ-сигналов и гальванической развязки

18 - Драйверы силовых ключей

19 - Силовые ключи

20 - Фильтр низких частот (ФНЧ)

Работает устройство следующим образом: Источники питания 7 и 8 из напряжения, вырабатываемого СЭУ, получает несколько напряжений постоянного тока для питания всех узлов МРРОЖ. Преобразователи 14, 15 и 16 из напряжения, вырабатываемого СЭУ, получают несколько напряжений постоянного тока для питания всех узлов инвертора. Сигнал с датчика температуры солнечной энергетической установки подается на аналоговый мультиплексор 1, где выбирается сигнал с нужного датчика для последующей обработки. Далее выбранный сигнал поступает на усилитель сигнала температуры 2 для усиления и масштабирования. Затем сигнал подается на один из каналов аналого-цифрового преобразователя (АЦП), встроенного в однокристальный микроконтроллер 12. Для работы усилителя сигнала температуры 2 и АЦП источник опорного напряжения 3 генерирует высокостабильное напряжение 4,1 В. Одновременно, пройдя через соответствующую схему измерения скорости потока 4, на другой канал АЦП подается сигнал скорости потока охлаждающей жидкости, а на вход однокристального микроконтроллера 12 через соответствующую схему измерения уровня охлаждающей жидкости 5 на другой канал АЦП подается сигнал уровня охлаждающей жидкости. Сигналы с датчиков температуры, датчиков потока и датчиков уровня охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки оцифровываются в АЦП однокристального микроконтроллера 12. Далее в однокристальном микроконтроллере 12 при помощи соответствующего программного обеспечения вычисляются значения всех температур, скорости потока и уровня охлаждающей жидкости. После вычисления значения температур, при необходимости включения насоса, формируется сигнал «Сигнал Вкл» инвертора. Далее при вычислении значения температур, скорости потока и уровня охлаждающей жидкости по соответствующим законам и алгоритмам, реализованным в программном обеспечении устройства, осуществляется формирование ШИМ-сигналов для управления насосами охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки. Схема управления, формирования ШИМ-сигналов и гальванической развязки 17 производит включение/выключение силовой части инвертора посредством внешнего сигнала «Сигнал вкл», формирует ШИМ-сигналы со скважностью, изменяющейся по синусоидальному закону и выдает их на драйверы силовых ключей 18, которые задают необходимые режимы работы транзисторных ключей "Верхних" и "Нижних" 19. Также схема управления, формирования ШИМ-сигналов и гальванической развязки 17 гальванически изолирует функциональные узлы с силовым питанием от узлов со слаботочным питанием. Силовые ключи 19, представляющие собой мостовую схему из четырех MOSFET транзисторов с N-каналом, коммутируют силовое входное напряжение по управляющим ШИМ-сигналам в нагрузку через фильтр низких частот 20. На протяжении всего рабочего процесса в однокристальном микроконтроллере происходит формирование сигналов для схемы индикации и звуковой сигнализации 6. USB-интерфейс 9 и Интерфейс RS-485 10 преобразуют интерфейс UART, встроенный в однокристальный микроконтроллер 12, в интерфейсы USB и RS-485 для возможности подключения МРРОЖ к ПЭВМ. В случае возникновения неисправностей беспроводной интерфейс GSM/GPRS 11 через мобильную сеть GSM передает сигналы о неисправностях гидравлической охлаждающей системы в виде SMS-сообщений на мобильные телефоны, номера которых можно ввести с помощью специализированного программного обеспечения при подключении основного блока МРРОЖ СЭУ к ПЭВМ через USB-интерфейс 9 или RS-485-интерфейс 10. Схема управления и контроля работоспособности 13 контролирует работу однокристального микроконтроллера 12, схему индикации и звуковой сигнализации 6 и выходы ШИМ-сигналов. При выходе однокристального микроконтроллера 12 из строя, схема управления и контроля работоспособности 13 переключает на себя схему индикации и звуковой сигнализации 6 и выходы ШИМ-сигналов и приводит их в соответствующее заранее определенное состояние посредством определенного алгоритма.

Изобретение может быть использовано для регулирования расхода охлаждающей жидкости в гидравлической системе солнечной энергетической установки в зависимости от температуры теплоносителя на выходе солнечных модулей в точках расположения термодатчика. Микроконтроллер состоит из однокристального микроконтроллера, схемы управления и контроля работоспособности, схемы индикации и сигнализации, USB-интерфейса, источника питания АС/ДС, интерфейса RS-485 и беспроводного интерфейса GSM/GPRS для передачи коротких сообщений о состоянии и ошибках в работе охлаждающей системы солнечной энергетической установки, источника питания для обеспечения работы интерфейса RS-485 и беспроводного интерфейса GSM/GPRS, аналоговой части измерительных цепей, содержащей источник опорного напряжения, аналоговый мультиплексор, усилитель сигнала температуры и схему измерения скорости потока, схему измерения уровня охлаждающей жидкости для обработки сигнала от датчика низкого уровня охлаждающей жидкости и инвертора, состоящего из нескольких DC/DC преобразователей, схемы управления формирования ШИМ-сигналов и гальванической развязки, драйверов силовых ключей, силовых ключей и фильтра низких частот для получения стандартного напряжения питания гидравлических насосов из напряжения, вырабатываемого солнечной энергетической установкой. Изобретение должно обеспечить расширение эксплуатационных возможностей солнечной энергетической установки за счет улучшения параметров микроконтроллера. 2 ил.

Микроконтроллер регулировки расхода охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки, состоящий из однокристального микроконтроллера, схемы управления и контроля работоспособности, схемы индикации и сигнализации, USB-интерфейса, источника питания АС/ДС и аналоговой части измерительных цепей, содержащей источник опорного напряжения, аналоговый мультиплексор, усилитель сигнала температуры и схему измерения скорости потока, отличающийся тем, что аналоговая часть измерительных цепей имеет в своем составе схему измерения уровня охлаждающей жидкости для обработки сигнала от датчика низкого уровня охлаждающей жидкости, а в состав микроконтроллера регулировки расхода охлаждающей жидкости солнечной энергетической установки дополнительно введены интерфейс RS-485 и беспроводной интерфейс GSM/GPRS для передачи коротких сообщений о состоянии и ошибках в работе охлаждающей системы солнечной энергетической установки, источник питания для обеспечения работы интерфейса RS-485 и беспроводного интерфейса GSM/GPRS и инвертор, состоящий из нескольких DC/DC преобразователей, схемы управления формирования ШИМ-сигналов и гальванической развязки, драйверов силовых ключей, силовых ключей и фильтра низких частот для получения стандартного напряжения питания гидравлических насосов из напряжения, вырабатываемого солнечной энергетической установкой.