CN102360232B

CN102360232B - 光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法

Info

Publication number: CN102360232B
Application number: CN 201110245402
Authority: CN
Inventors: 王堃; 王琳琳; 孙强; 李训章; 张力
Original assignee: Nanjing Post and Telecommunication University
Current assignee: Chengdu Star Innovation Technology Co.,Ltd.
Priority date: 2011-08-25
Filing date: 2011-08-25
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2031-08-25
Also published as: CN102360232A

Abstract

本发明是一种光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，通过单片机控制太阳能电池板时刻随光线角度转动，从而给供热系统供电；供热系统中的温度传感器采集水温室温等环境信息，利用居民区中的局域网作为主要通信干道，借助无线传感网络进行传输到单片机微处理器上，随后微处理器通过供热系统物理模型对数据信息分析处理，得出反馈给用户的加热温度数值；用户使用手机短信发送加热信息给居民区供热系统终端，单片机通过读取短信内容，来控制供热系统采用比例、积分、微分即PID方法对所对应的用户加热器进行精确加热，直到供热系统反馈的加热温度值。通过光敏电阻对采集到的太阳光强度进行处理，可以更大限度的利用太阳能，提高太阳能利用率。

Description

光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法

技术领域

本发明是一种光追踪太阳能供电和手机控制自动加热技术，属于能源利用及智能自动控制技术领域。

背景技术

在全球能源紧张，气候恶化，严重威胁经济发展和人们生活的健康的今天，世界各国都在寻求新的能源替代战略，以求得可持续发展和在发展中获取优势地位，随着人们节能环保意识的不断加强，太阳能以其安全，节能环保卫生经济等显著优势，迅速赢得了广大消费者的青睐。

据统计，每平方米平板太阳能集热器平均每个正常日照日，可产生相当于2.5度电的热量，每年可节约标准煤120公斤左右，可以减少700多公斤C02的排放量。太阳能热水器的广泛运用，包括生活用热水，采暖，空调，在省钱的同时必将极大地改善地球的污染状况。我国具有非常丰富的太阳能资源，太阳能年辐照总量每平方米超过5000兆焦耳，年日照时数超过2200小时以上的地区约占国土面积的2/3以上。这是太阳能产业发展最为有利的外在客观条件。为了提高太阳能利用率，系统通过光追踪随动太阳能进行辅助供电。通过光敏电阻采集太阳光信息，送给单片机由AD转换成数字信号，送给微处理器处理，通过调整PWM波占空比控制舵机角度，实现太阳能电池板相对太阳光随动跟踪。与市场上大多数静态的太阳能电池板相比，实现时刻太阳能板的光照吸收量最大。

未来的社会是以人为本，基于人机工程的研究就会更加智能，国内市场上热水器加热都是需要用户手动控制，需要人在加热器上设置温度和等待时间加热，在一定程度上浪费了人力和时间，采用手机控制技术可以利用现有手机网络传输加热指示并利用终端控制加热。此应用可以让居民淋浴系统更节能更智能更人性化。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，通过光敏电阻对采集到的太阳光强度进行处理，AD转换时通过算法来得到太阳光强最强的角度，以此来控制舵机转动，可以更大限度的利用太阳能，提高太阳能利用率。

技术方案：本发明的光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，通过单片机控制太阳能电池板时刻随光线角度转动，从而给供热系统供电；供热系统中的温度传感器采集水温室温等环境信息，利用居民区中的局域网作为主要通信干道，借助无线传感网络进行传输到单片机微处理器上，随后微处理器通过供热系统物理模型对数据信息分析处理，得出反馈给用户的加热温度数值；用户使用手机短信发送加热信息给居民区供热系统终端，单片机通过读取短信内容，来控制供热系统采用比例、积分、微分即PID方法对所对应的用户加热器进行精确加热，直到供热系统反馈的加热温度值。

所述的通过单片机控制太阳能电池板时刻随光线角度转动，是用光敏电阻采集太阳光强，根据采样电压的数值判断太阳光最强强度方向，用飞思卡尔单片机(Freescale型号MC9S12DG128)控制太阳能电池板的舵机转动；光敏电阻对光强进行采集后进行模数AD变换，而太阳能电池板依靠其所绑定的舵机带动转动，舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置进行角度控制，使得太阳能电池板始终与太阳光保持垂直，控制其随着太阳光线转移而转动。

所述的供热系统物理模型是根据物理学中的热辐射现象和流失散热现象进行建模；用如下公式计算热辐射hr：

hr＝2.3×10^-11×ε(ΔT/2+237)³(W/cm³℃)

式中ε是热水器的表面状况和管壁材质的表面辐射率，通常取0.05-0.1，ΔT为暖气片的最高温度与环境温度之差，W是功率单位-瓦特，cm³是体积单位-立方厘米，℃是温度单位-度。

此外，再用如下公式计算流热散失hc：

hc＝4.3×10^-4×ε(ΔT/H)¹⁴(W/cm²℃)

式中H是散热垂直方向的高度，cm²是面积单位-平方厘米，

将上述物理理论与现实供热系统相结合，建立出合理的加热温度公式：

T_w＝T_h-(δ₁×q₁/λ₁)

q = (T_{w} - T_{f}) \times (ϵ_{s} \times 5.67 \times {(\frac{T_{w}}{100})}^{4} - \frac{{(\frac{T_{f}}{100})}^{4}}{\sqrt[4]{(T_{w} - T_{f}) + Σ_{k = 1}^{3} k (T_{w} - T_{f})}})

式中ε_s为加热设备管壁表面系数，一般可取0.8；k为外壁方向系数，就采用的立方体容器，一般侧面外壁则取k为2.56，顶面取k为3.26，底面取k为1.63；当前水温T_w，余热预温度T_h，加热设备管壁材料厚度δ₁，外表面散热热流密度q，加热设备管壁材料导热率λ₁，环境温度T_f；上述计算所需的相关环境变量利用温度传感器采集，系统自动从无线传感网络中获取这些环境变量，进行分析处理后获得加热温度数值。

所述的采用PID方法是通过比例、积分、微分三面的结合调整形成一个精细控制解决惯性温度误差；本温控系统，被控对象为加热器，输入控制信号电压为0～5V，输出相电压为0～220V，输出最大功率为1500W；从控制信号u(t)到水的温度c(t)可以看作是广义被控对象；通过改变加热电阻上的电压调节水的温度，选择合适的偏差论域及增益系数，即首先建立PID温度控制模型，随后PID温度采集模块利用NTC型热敏电阻特性，比例P按比例反应系统的偏差进行调节；积分I的调节使系统消除稳态误差；微分D通过微分作用反映系统偏差信号的变化率。

所述的根据采样电压的数值判断太阳光最强强度方向即判断电池板与太阳旋转方向的一致性，如果两次采样结果是递增的，说明电池板是向着太阳的，反之则是背着太阳，如果电池板开始时候向着太阳旋转，那么采样电压会逐步增大，这种情况下单片机程序给出继续旋转的指令；当进行一次采样后，如果采样电压相比上次采样结果有所减少，单片机则立刻给出指令，让电池板反向旋转一个角度，然后电机停止工作，此时正对太阳。

所述的PID温度控制模型，此模型的温控传递函数看作是一阶惯性环节，一阶传递函数G(s)为：

G (s) = \frac{K}{TS + 1} e^{- τ}

式中T为惯性环节的时间常数，我们用其表示加热器的加热时间；K为惯性环节的放大系数，用其表示放大器的比例系数，即电阻比；τ是滞后时间，

在阶跃响应实验时，广义输入控制信号为4V，被控对象输出稳定在90℃，放大系数K＝80/4＝20℃/V；响应输出无滞后，则τ＝0；T＝60s；由此，仿真模型可粗略地写为：

G (s) = \frac{20}{60 s + 1} .

有益效果：通过光敏电阻对采集到的太阳光强度进行处理，AD转换时通过算法来得到太阳光强最强的角度，以此来控制舵机转动，可以更大限度的利用太阳能，提高太阳能利用率。

预设温度事通过科学的数学建模而得到的合理节能温度，在通过手机短信告知用户，建议用户设置加热温度就为短信通知的温度，用户可以按照通知设置也可自行更改，不仅节能还人机智能化。

太阳能随动系统优点是寿命长，全自动运行不需要人工转动，使用方便，烧水量可大可小，大型的或每日烧开水几十吨或更多，中型的可每天烧开水几吨，小型的可每天烧几十斤或几百斤。锅式聚光型太阳能开水器，有三十年以上的发展历史，有显示的优点，但也有较大的缺点，缺点一：阴天不能用。缺点二：随阳光的转动聚焦点不断的偏移，所以每20分钟左右就得用人工转动一下，以准确的把聚焦点对准壶低或锅低，使用非常麻烦，也有自动对焦点的，但故障率高。如有人在前面走动或出现其他阴影时，锅会快速的转动，不安全。缺点三：烧水量少，不适合于人多的单位使用，缺点四：不安全，如有人在晒被子时，由太阳能角度的变化，焦点的位置也在变化，焦点位置变化后照到被子上，引起火灾。人在前面活动时不注意接触到焦点造成烧伤等。

太阳能电池自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分，具体优点和工作要求如下：

(1)工作安全可靠，保证电池板在白天的任何时刻(设计跟踪时间内)都能正对太阳

(2)夜间自动返回原始工作位置，以背第二天工作需要

(3)具有故障诊断功能，在转动机构失效时使电池板停止工作运转，防止损坏结构

(4)自动功耗小，采取间歇性工作方式，以节省电能消耗。

手机控制加热技术是为了满足出行用户想对家居热水器远程控制而设计的，用户可不用浪费时间和精力来等热水器加热，短信自控加热有助于家居生活更智能更环保。

附图说明

图1是光追踪随动与普通太阳能利用比率图，

图2是光追踪随动太阳能电路图，

图3是系统总体结构图。

具体实施方式

光敏电阻对光强进行采集后经过AD变换，单片机控制舵机PWM波进行角度控制，使得太阳能板转动装置始终与太阳光保持垂直，从而提高太阳能的利用率。采集相关环境参数，依据当前室温、特定室温下水温的散热速度、相应室温下人体热辐射情况和人体适宜温度之间的大致函数关系，依据建立的淋浴系统物理模型进行相关处理，从而获得合理的加热温度范围提示。手机控制系统自动加热到此合理温度范围。通过Pvar、Ivar、Dvar(比例、积分、微分)三者的结合调整形成精细控制来解决惯性温度误差问题。本温度控制系统，被控对象为加热器，输入控制信号电压为0～5V，输出电压为0～220V，输出最大功率为1500W。从控制信号u(t)到水的温度c(t)可以看作是广义被控。主要通过改变加热电阻上的电压来调节水的温度，选择合适的偏差论域及增益系数，通过PID控制器实现自动加热。具体说来，PID温度采集模块利用NTC型热敏电阻特性，使系统具有灵敏度较高、工作温度范围宽、稳定性好及过载能力强等相关特性。比例(P)按比例反应系统的偏差进行调节，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差。积分(I)的调节使系统消除稳态误差，提高无差度。一旦有误差存在，积分调节就开始进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数T，T越小，积分作用就越强。积分作用常与另两种调节规律结合，组成PI调节器或PID调节器。微分(D)通过微分作用反映系统偏差信号的变化率，预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差没有形成之前，微分调节作用将其消除，因此可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少调节时间。

理论上，光追踪随动太阳能与普通太阳能理论能量利用比率为π∶2。通过实验统计数据，我们画出太阳能光强与时间的函数图像，如图1中所示。

由上述统计，可得光追踪随动太阳能与普通太阳能的实际能量利用比率为1.29。

基于上述实验的汇总数据，结合对一些参考文献的查阅[6]，记录相关数据于表一。

并且由此推算可得，通过光追踪随动太阳能加热，全年可提供生活用热水(45℃)53.5吨。若每人每次洗澡用热水约需50公斤，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。

表一：汇总光追踪随动太阳能的能量利用情况实验数据(集热面积为2m²)

年平均气温	15.7℃
		年日照时数	2014小时
太阳总辐射总量年均	111.59千卡/m²
		年吸收太阳辐射能量	9.37×106千焦

升高的水温(基础水温10℃)

35℃

由上述数据可得到太阳能转动系统较静态太阳能电池获得的节能效果更可观。

未来城市化水平越来越高，人们生活节奏也日益加快。时间便成了最宝贵的资源，手机提醒控制加热可以更方便的为用户提供便利，在出行中即可实现对淋浴系统的远程控制加热，提高了工作效率。其中采用的温度预设是根据居民楼室温和水温模拟函数而得到的温度，在满足用户淋浴舒适度的情况下进行科学的节能。用户可根据终端发送的预设温度提醒信息来相应的设置加热温度，或者自行修改温度来满足自身需要。

太阳在不同的季节和一天中不同的时间对于电池板角度是一直在变化的，如果采用按时间转动固定角度得到的太阳能利用率较随动系统的利用率低，而且需要在固定期间修改角度以更精确的追踪太阳光。如果采用随动控制技术，不仅提高了能源利用率更优化了人力资源。

太阳能光追踪系统装置包括：光敏电阻、舵机、单片机最小系统、支架及太阳能板。光敏电阻对光强进行采集后经过AD变换，单片机控制舵机PWM波进行角度控制，使得本发明的太阳能板转动装置通过使固设于支架上的太阳能板始终与太阳光保持垂直，从而提高太阳能的利用率。

手机提醒控制加热技术包括预设温度提醒和信息控制加热。预设温度提醒是将居民区水温室温采集后利用数学建模后模拟的水温函数保证在满足人体舒适度的情况下设定的最小水温。过高的水温会造成热能的浪费，预设温度需要后台终端对采集到的室温和水温进行处理得出的合理温度。在生活日益节奏化的时代，居民家中很可能无人控制热水器但居民却希望可以到家就能淋浴时，这时就需要利用手机进行控制单片机进行加热。

通过光追踪随动太阳能加热，全年可提供生活用热水(45℃)53.5吨。若每人每次洗澡用热水约需50公斤，则全年可洗1070人次，平均每天可洗2.93人次。

光追踪随动太阳能加热能时刻保证太阳光与太阳能电池板垂直，较静止的电池板大大的提高了太阳能利用率，舵机转动产生的能量消耗也能由太阳能提供，综合实验下来，太阳能随动系统大大的提高了太阳能利用率。

通过对比各种加热技术，如锅式聚光型太阳能开水器的应用存在诸多缺点：随阳光的转动聚焦点不断的偏移，所以每20分钟左右就得用人工转动一下，以准确的把聚焦点对准壶低或锅低，使用非常麻烦，也有自动对焦点的，但故障率高。如有人在前面走动或出现其他阴影时，锅会快速的转动，而且会产生安全隐患，比如当聚点转移到易燃物品上时就会产生无法估量的损失，对人身和财产安全存在很多不利因素。太阳能是一种清洁的能源，随着社会的发展，不可再生能源的短缺，太阳能在目前乃至以后都是能源研究发展的方向，各种尝试利用太阳能造福人类时应考虑自身的安全性。清洁而安全的能源才是人类所需要的。

在用户出行时，在外通过廉价的短信发送到终端，终端读取信息后确认用户需要加热淋浴热水器，终端就相应控制需要加热用户的热水器，加热温度为经过处理的合理温度，保证了城市居民的工作效率和生活效率，用户回到家后就可以立刻使用热水，在实用的基础上满足了用户多样化的需求，提高了产品的智能性。由于短信息的费用低廉，可以取代传统的无线遥控。

通过采样电压数值来判断电池板是向着太阳旋转还是背着太阳旋转，如果两次采样结果是递增的，说明电池板是向着太阳的，反之则是背着太阳。如果电池板开始的事向着太阳旋转，那么采样电压会逐步增大，这种情况下程序给出继续旋转的指令，当某次采样后，比较电压相比上次采样的结果有所减少，单片机立刻给出指令，让电池板反向旋转一个角度，然后电机停止工作，此时正对太阳。

手机短信控制是利用现有的通信网络，用户依靠低廉的短信发送加热信息给居民区淋浴系统终端，工作人员通过电脑读取短信内容，加热所对应的用户加热器，设置合理的温度满足用户需求，使得用户回到家中就可以获得热水，免去手动设置加热的动作和免去等待加热的时间，大大的提高了生活效率。

Claims

1.一种光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，其特征在于通过单片机控制太阳能电池板时刻随光线角度转动，从而给供热系统供电；供热系统中的温度传感器采集水温室温等环境信息，利用居民区中的局域网作为主要通信干道，借助无线传感网络进行传输到单片机微处理器上，随后微处理器通过供热系统物理模型对数据信息分析处理，得出反馈给用户的加热温度数值；用户使用手机短信发送加热信息给居民区供热系统终端，单片机通过读取短信内容，来控制供热系统采用比例、积分、微分即PID方法对所对应的用户加热器进行精确加热，其温度一直加热到供热系统反馈给用户的加热温度值为止。

2.根据权利要求1所述的光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，其特征在于所述的通过单片机控制太阳能电池板时刻随光线角度转动，是用光敏电阻采集太阳光强，根据采样电压的数值判断太阳光最强强度方向，用单片机控制太阳能电池板的舵机转动；光敏电阻对光强进行采集后进行模数AD变换，而太阳能电池板依靠其所绑定的舵机带动转动，舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置进行角度控制，使得太阳能电池板始终与太阳光保持垂直，控制其随着太阳光线转移而转动。

3.根据权利要求1所述的光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，其特征在于所述的供热系统物理模型是根据物理学中的热辐射现象和流失散热现象进行建模；用如下公式计算热辐射hr：

hr=2.3×10^-11×ε(△T/2+237)³(W/cm³°C)

式中ε是热水器的表面状况和管壁材质的表面辐射率，通常取0.05-0.1，△T为暖气片的最高温度与环境温度之差，W是功率单位-瓦特，cm³是体积单位-立方厘米，℃是温度单位-摄氏度，

此外，再用如下公式计算流热散失hc：

hc=4.3×10^-4×ε(△T/H)^1.4(W/cm²°C)

式中H是散热垂直方向的高度，cm²是面积单位-平方厘米，

T_w=T_h-(δ×q/λ)

q = (T_{w} - T_{f}) \times (ϵ_{s} \times 5.67 \times {(\frac{T_{w}}{100})}^{4} - \frac{{(\frac{T_{f}}{100})}^{4}}{\sqrt[4]{(T_{w} - T_{f}) + Σ_{k = 1}^{3} k (T_{w} - T_{f})}})

式中ε_s为加热设备管壁表面系数，一般可取0.8；k为外壁方向系数，就采用的立方体容器，一般侧面外壁则取k为2.56，顶面取k为3.26，底面取k为1.63；当前水温T_w，余热预温度T_h，加热设备管壁材料厚度δ，外表面散热热流密度q，加热设备管壁材料导热率λ，环境温度T_f；上述计算所需的相关环境变量利用温度传感器采集，系统自动从无线传感网络中获取这些环境变量，进行分析处理后获得加热温度数值。

4.根据权利要求1所述的光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，其特征在于所述的采用PID方法是通过比例、积分、微分三面的结合调整形成一个精细控制解决惯性温度误差；本温控系统，被控对象为加热器，输入控制信号电压为0～5V，输出相电压为0～220V，输出最大功率为1500W；从控制信号u(t)到水的温度c(t)可以看作是广义被控对象；通过改变加热电阻上的电压调节水的温度，选择合适的偏差论域及增益系数，即首先建立PID温度控制模型，随后PID温度采集模块利用NTC型热敏电阻特性，比例P按比例反应系统的偏差进行调节；积分I的调节使系统消除稳态误差；微分D通过微分作用反映系统偏差信号的变化率。

5.根据权利要求2所述的光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，其特征在于所述的根据采样电压的数值判断太阳光最强强度方向即判断电池板与太阳旋转方向的一致性，如果两次采样结果是递增的，说明电池板是向着太阳的，反之则是背着太阳，如果电池板开始时候向着太阳旋转，那么采样电压会逐步增大，这种情况下单片机程序给出继续旋转的指令；当进行一次采样后，如果采样电压相比上次采样结果有所减少，单片机则立刻给出指令，让电池板反向旋转一个角度，然后电机停止工作，此时正对太阳。

6.根据权利要求4所述的光追踪随动太阳能供电的手机控制自动加热方法，其特征在于所述的PID温度控制模型，此模型的温控传递函数看作是一阶惯性环节，一阶传递函数G(s)为：

G (s) = \frac{K}{TS + 1} e^{- τ}

式中T为惯性环节的时间常数,表示加热器的加热时间；K为惯性环节的放大系数，用其表示放大器的比例系数，即电阻比；τ是滞后时间，S表示拉普拉斯变换域中的自变量；

在阶跃响应实验时,广义输入控制信号为4V,被控对象输出稳定在90℃,放大系数K=80/4=20℃/V;响应输出无滞后,则τ=0；T=60s;由此,仿真模型可粗略地写为:

G (s) = \frac{20}{60 s + 1} .