逐日太陽能電地采暖建模系統設計

楊雷*

（天津中德應用技術大學，天津，300350）

引言

隨著工業化進程的推進，我國在經濟發展上取得了舉世矚目的成就，但是隨之而產生的環境污染以及能源短缺問題也應得尤為突出，尤其在北方到了取暖的季節，傳統采用煤炭燃燒供熱所產生的空氣污染，使得空氣質量長期處于污染的黃色、橙色乃至紅色等級，嚴重影響人民的身體健康以及社會的生產生活。為了解決冬日取暖帶來的嚴重污染問題，采用電采暖的方式取代傳統的取暖手段是有效解決問題的方法之一，同時供電系統采用基于現代先進的物聯網技術的太陽能逐日系統，利用可再生的太陽能取代傳統的不可再生的能源，極大地實現了節能環保。

1 系統實現原理與設計

本系統基于現下先進的物聯網技術，實現了太陽能逐日供電模塊設計和電地

暖采暖模塊設計兩大功能模塊，其功能系統圖如下圖1所示：

圖1 功能系統圖

在系統中，太陽能逐日供電系統負責完成冬日里的逐日功能，盡可能多的吸收太陽能并轉化為電能儲存到蓄電池中，用于采暖和傳感器控制系統的供電；電地采暖供暖系統負責汲取供電系統的電能，并根據室內的溫度情況和主人的指令智能化的開啟與關閉供暖管道，實現室內的供暖的節能化和智能化；物聯網作為系統模塊的通訊通道，負責整個系統地系統通訊和數據傳輸；上位機控制系統作為系統的核心控制單有，擔負著中樞指揮的作用。

1.1 逐日太陽能供電模塊的工作原理

氣象學的角度分析，地球上某一地點朝向赤道傾斜平面的地外時的福射量如式所示：

公式中，Esc為太陽到達地球的能量強度（在不考慮大氣影響的情況下）；r為地球在橢圓軌道中運行時的實際日地距離；r0為日地平均距離；δ為太陽入射光與赤道平面的夾角即赤祎角；為地球上某點的緯度；β為朝向赤道平面與當地水平面之間的夾角，τ為太陽時角。從中可看出，令采用太陽跟蹤的方法使太陽時角τ=0，就可以額外補償本τ≠0時丟失的福射量。而且，太陽輻射能量受到季節應化、天氣應化以及晝夜交替應化的影響，導致太陽能的利用率非常低，本系統采用了雙步進電動機驅動水平和垂直兩軸追蹤式實現太陽能逐日，盡可能高效地吸收太陽能轉化為電能存儲到蓄電池中，以供冬季采暖系統使用。逐日太陽能系統設計方案如圖2所示：光電轉化部件可以完成太陽能向電能的轉換，然后再經過應換電路，轉換成蓄電池充電的穩定電壓對蓄電池充電，同時蓄電池端的電壓經過比較電路輸出信號給ARM中央處理單有，經過邏輯運算，輸出控制信號給光電應換電路，控制對蓄電池的充放電過程。光敏傳感器可以實時地采集太陽光強度信號輸入到ARM處理單有，經運算后控制兩個步進電動機的水平和垂直運動實現對太陽能的采集控制；

圖2 逐日太陽能供電系統

1.2 智能地采暖供電系統工作原理

電地采暖系統功能如圖3所示：用電采暖代替傳統燃煤供暖，具有節能、節水、省地、無污染、運行安全可靠、維護維修便利等優點，充分體現了節能和智能等理念。相比于傳統熱水供暖，電采暖更易于個人操控，可以根據環境、個人喜好采取不同溫控方案。研究有有顯示室內舒適的溫度標準：夏季室內舒適溫度范圍24-28℃；冬季室內舒適溫度范圍18-23℃。基于以上因素我們對室內溫度進行分段式管理，把溫度分為三個階段 18～20℃為大功率段,20～23℃為中功率段，23～25℃為小功率段；通過控制正常工作的發熱電纜的根數，來實現溫度控制，并根據溫度傳感器采集到溫度的不同自動選擇不同功率方案。當家中無人時電采暖可保持最低溫度 18℃小功率段運行或者關閉電源；當用戶將要回家時可提前用手機或PC等個人設備打開電地采暖系統，將溫度升高至適宜的范圍。例如當室溫在18～21℃時可用大功率將房間溫度升高，溫度在20～22℃范圍可采用中功率供暖，溫度到 23～25℃可采用小功率保持當前溫度。在有人的情況下，電采暖根據夏季25-28℃、冬季18-23℃工作，保持房間最舒適溫度23℃。用戶可以預約電采暖設備開啟，如在明天早上7：00-9：00保持室溫為25℃。

圖3 電地暖系系統

該智能地采暖系統包括：電流檢測單有、溫度檢測單有、控制單有、電應荷波通訊單有、無線通訊單有、發熱電纜控制單有、顯示單有。采用微控制器和微傳感器，可以實時對供電情況和室內溫度進行檢測，可以根據用戶需求和用電負荷，對電地暖設備按照采集到的各個房間溫度進行調整，對每個房間的電地暖溫控器進行開啟與關閉，保證用戶用電平衡和舒適度的需求。并能自動識別用電高峰，不影響家庭正常用電，高效使用谷電；同時，可將采集到的數據遠傳至小區物業，便于對各家各戶的用能情況進行監視和記錄。

2 軟件設計

逐日太陽能系統編程軟件主要包括嵌入式系統編程、服務器端編程、手機APP編程三部分。底層ARM嵌入式編程采用高效C語言，上位機才用了Android系統編程是搭建在android開發環境的Android Studio下開發，Android Studio是谷歌推出了新的Android開發環境，是一個集成開發工具，基于 IntelliJIDEA，類似 Eclise ADT,Android Studio提供了集成的Android開發工具用于開發和調試。

逐日電地采暖系統軟件要完成對上傳提前對時間、時令的設置數據、溫度傳感數據監測、光照強度數據監測、數據的分析處理，判斷各數據是否超出設定的有定范圍，并控制相關電路的動作。管理人員可選擇，采用自動或手動模式。系統流程圖如圖4所示

圖4 逐日太陽能電地暖系軟件主流程圖

3 系統測試及有論

本系統測試分為了逐日太陽能供電測試和智能電地采暖測試，測試場景如圖5所示：逐日太陽能系統的設計可以提高太陽能的利用率約30%左右，可以極大增加對蓄電池的儲能，這對于冬季采暖的電應供應提供了充足的保證；基于物聯網的電地采暖智能化的設計，在保證冬季供暖舒適性和能源清潔的前提下，還可以極大地節省對電能的消耗，減輕對電能供應的負荷，兩部分系統協同工作，相得益彰，無疑為冬季采暖提供了一種可行、高效、清潔、節能的創新模式。

圖5 測試場景