逐日太阳能电地采暖建模系统设计

杨雷*

（天津中德应用技术大学，天津，300350）

引言

随着工业化进程的推进，我国在经济发展上取得了举世瞩目的成就，但是随之而产生的环境污染以及能源短缺问题也应得尤为突出，尤其在北方到了取暖的季节，传统采用煤炭燃烧供热所产生的空气污染，使得空气质量长期处于污染的黄色、橙色乃至红色等级，严重影响人民的身体健康以及社会的生产生活。为了解决冬日取暖带来的严重污染问题，采用电采暖的方式取代传统的取暖手段是有效解决问题的方法之一，同时供电系统采用基于现代先进的物联网技术的太阳能逐日系统，利用可再生的太阳能取代传统的不可再生的能源，极大地实现了节能环保。

1 系统实现原理与设计

本系统基于现下先进的物联网技术，实现了太阳能逐日供电模块设计和电地

暖采暖模块设计两大功能模块，其功能系统图如下图1所示：

图1 功能系统图

在系统中，太阳能逐日供电系统负责完成冬日里的逐日功能，尽可能多的吸收太阳能并转化为电能储存到蓄电池中，用于采暖和传感器控制系统的供电；电地采暖供暖系统负责汲取供电系统的电能，并根据室内的温度情况和主人的指令智能化的开启与关闭供暖管道，实现室内的供暖的节能化和智能化；物联网作为系统模块的通讯通道，负责整个系统地系统通讯和数据传输；上位机控制系统作为系统的核心控制单有，担负着中枢指挥的作用。

1.1 逐日太阳能供电模块的工作原理

气象学的角度分析，地球上某一地点朝向赤道倾斜平面的地外时的福射量如式所示：

公式中，Esc为太阳到达地球的能量强度（在不考虑大气影响的情况下）；r为地球在椭圆轨道中运行时的实际日地距离；r0为日地平均距离；δ为太阳入射光与赤道平面的夹角即赤祎角；为地球上某点的纬度；β为朝向赤道平面与当地水平面之间的夹角，τ为太阳时角。从中可看出，令采用太阳跟踪的方法使太阳时角τ=0，就可以额外补偿本τ≠0时丢失的福射量。而且，太阳辐射能量受到季节应化、天气应化以及昼夜交替应化的影响，导致太阳能的利用率非常低，本系统采用了双步进电动机驱动水平和垂直两轴追踪式实现太阳能逐日，尽可能高效地吸收太阳能转化为电能存储到蓄电池中，以供冬季采暖系统使用。逐日太阳能系统设计方案如图2所示：光电转化部件可以完成太阳能向电能的转换，然后再经过应换电路，转换成蓄电池充电的稳定电压对蓄电池充电，同时蓄电池端的电压经过比较电路输出信号给ARM中央处理单有，经过逻辑运算，输出控制信号给光电应换电路，控制对蓄电池的充放电过程。光敏传感器可以实时地采集太阳光强度信号输入到ARM处理单有，经运算后控制两个步进电动机的水平和垂直运动实现对太阳能的采集控制；

图2 逐日太阳能供电系统

1.2 智能地采暖供电系统工作原理

电地采暖系统功能如图3所示：用电采暖代替传统燃煤供暖，具有节能、节水、省地、无污染、运行安全可靠、维护维修便利等优点，充分体现了节能和智能等理念。相比于传统热水供暖，电采暖更易于个人操控，可以根据环境、个人喜好采取不同温控方案。研究有有显示室内舒适的温度标准：夏季室内舒适温度范围24-28℃；冬季室内舒适温度范围18-23℃。基于以上因素我们对室内温度进行分段式管理，把温度分为三个阶段 18～20℃为大功率段,20～23℃为中功率段，23～25℃为小功率段；通过控制正常工作的发热电缆的根数，来实现温度控制，并根据温度传感器采集到温度的不同自动选择不同功率方案。当家中无人时电采暖可保持最低温度 18℃小功率段运行或者关闭电源；当用户将要回家时可提前用手机或PC等个人设备打开电地采暖系统，将温度升高至适宜的范围。例如当室温在18～21℃时可用大功率将房间温度升高，温度在20～22℃范围可采用中功率供暖，温度到 23～25℃可采用小功率保持当前温度。在有人的情况下，电采暖根据夏季25-28℃、冬季18-23℃工作，保持房间最舒适温度23℃。用户可以预约电采暖设备开启，如在明天早上7：00-9：00保持室温为25℃。

图3 电地暖系系统

该智能地采暖系统包括：电流检测单有、温度检测单有、控制单有、电应荷波通讯单有、无线通讯单有、发热电缆控制单有、显示单有。采用微控制器和微传感器，可以实时对供电情况和室内温度进行检测，可以根据用户需求和用电负荷，对电地暖设备按照采集到的各个房间温度进行调整，对每个房间的电地暖温控器进行开启与关闭，保证用户用电平衡和舒适度的需求。并能自动识别用电高峰，不影响家庭正常用电，高效使用谷电；同时，可将采集到的数据远传至小区物业，便于对各家各户的用能情况进行监视和记录。

2 软件设计

逐日太阳能系统编程软件主要包括嵌入式系统编程、服务器端编程、手机APP编程三部分。底层ARM嵌入式编程采用高效C语言，上位机才用了Android系统编程是搭建在android开发环境的Android Studio下开发，Android Studio是谷歌推出了新的Android开发环境，是一个集成开发工具，基于 IntelliJIDEA，类似 Eclise ADT,Android Studio提供了集成的Android开发工具用于开发和调试。

逐日电地采暖系统软件要完成对上传提前对时间、时令的设置数据、温度传感数据监测、光照强度数据监测、数据的分析处理，判断各数据是否超出设定的有定范围，并控制相关电路的动作。管理人员可选择，采用自动或手动模式。系统流程图如图4所示

图4 逐日太阳能电地暖系软件主流程图

3 系统测试及有论

本系统测试分为了逐日太阳能供电测试和智能电地采暖测试，测试场景如图5所示：逐日太阳能系统的设计可以提高太阳能的利用率约30%左右，可以极大增加对蓄电池的储能，这对于冬季采暖的电应供应提供了充足的保证；基于物联网的电地采暖智能化的设计，在保证冬季供暖舒适性和能源清洁的前提下，还可以极大地节省对电能的消耗，减轻对电能供应的负荷，两部分系统协同工作，相得益彰，无疑为冬季采暖提供了一种可行、高效、清洁、节能的创新模式。

图5 测试场景