太阳能热利用信息系统的研究与实现

【摘要】：随着全球气候变化和人类化石燃料资源的大量消耗，可再生能源的开发与利用引起了世界各国的普遍重视。有效控制温室气体排放，合理控制能源消费总量，提高能源利用效率，加快低碳技术研发和应用成为迫切需要。太阳能作为一种清洁可再生能源，其开发和利用对于经济的健康可持续发展具有重要意义。上海市临港地区是上海市的八个低碳实践区试点之一，上海海洋大学是临港低碳实践区的低碳校园试点。节能减排是高校建设节约型校园的重要内容，是推行低碳生活理念的重要措施。应用信息技术分析自身能源利用情况、特点、存在问题等，可为低碳校园建设提供数据、手段等参考。 太阳能热利用由于受到季节、气候、昼夜、地理纬度和海拔等因素的影响，对太阳能热利用系统的合理设计、稳定运行并真正体现节能经济性提出了较高的要求。本文针对太阳能热利用系统的状态监测与控制问题，应用传感器技术、无线通信技术、智能控制技术实现了前端数据的采集、传输与控制。数据中心采用表示层/业务层/数据层三层混合体系统结构，解决了数据的存储、管理与结果展示的问题。在太阳能热水系统热性能分析方面，从太阳能热利用基本理论出发，推导出了太阳能热水系统最小补充热量的数学模型。最后给出了基于GIS的太阳能热利用信息监管平台设计与实现方法。 本文采用物联网技术实现了太阳能热利用信息系统的数据采集、通信传输及系统监控。在太阳能热水系统中安置太阳辐照度传感器、水温传感器、水位传感器、气体流量传感器、环境温度传感器等，并根据各传感器需求选择不同的方式与数据采集器连接，然后借助移动通信网络和无线微波传输网络将数据传送至远程监控中心，数据经分析处理后反馈给控制系统，达到预警条件时，系统将自动发送报警信息给用户。通过以上实验手段，实现了对太阳能热利用系统运行状态的监测、预警以及对水位、水温、集热器倾角等系统参数的自动控制。 本文根据太阳能热利用基本原理，推导出了系统最小补充热量的数学计算模型。通过分析时间因素的对太阳赤纬、集热面上太阳辐照度变化的影响，环境温度、集热器进口水温对集热器效率、系统最大集热量的影响，以及系统水位、水温等负荷情况对系统实际集热量的影响，得出系统的辅助能源消耗量与系统运行参数之间的数学关系，建立太阳能热利用系统最小补充热量计算模型。通过该数学模型，控制系统可以对系统运行参数进行相应的调整，增加对太阳能资源的利用量，使辅助能源的消耗量减至最少，达到节能减排的目的。 本文采用混合编程技术实现了基于GIS的太阳能热利用信息监管平台系统。将该平台系统划分为管理信息子系统、地理信息子系统和辅助决策子系统，分别对应着关系数据库管理、矢量地图操作与数据分析处理。然后，综合运用ArcGIS、MATLAB、VC++、SQL Server等多款应用软件，充分发挥各软件的优势，完成了系统数据库、功能模块和图形用户界面的设计。最终，实现了GIS与MIS的耦合，有效地完成了数据的存储与管理、系统数学模型的运算及结果的展示。 本文运用物联网技术实现了对太阳能热利用系统的监控，提出了太阳能热利用系统最小补充热量计算模型，给出了基于GIS的太阳能热利用监管平台软件的设计与实现。 【关键词】：太阳能 最小补充热量 物联网 地理信息系统 监控平台
【学位授予单位】：上海海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TP311.52
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 研究背景和意义11
• 1.2 国内外研究现状11-15
• 1.2.1 太阳能热利用系统概述11-12
• 1.2.2 太阳能热利用信息技术研究进展12-14
• 1.2.3 太阳能热利用信息系统的研究现状分析14-15
• 1.3 论文的研究内容15-16
• 1.4 论文的章节安排16-17
• 第二章 太阳能热利用信息系统的实现思想与总体架构17-24
• 2.1 系统实现技术17-19
• 2.1.1 应用传感器、无线通信与智能控制技术实现系统状态监控17-18
• 2.1.2 应用数学建模方法实现系统热性能分析18
• 2.1.3 应用数据库技术和 GIS 技术实现系统数据管理18-19
• 2.1.4 应用混合编程技术实现系统平台开发19
• 2.2 系统实现思想19-20
• 2.3 系统总体架构20-24
• 2.3.1 硬件系统架构21-22
• 2.3.2 软件体系架构22-24
• 第三章 物联网与太阳能热利用信息化24-35
• 3.1 传感器技术与系统性能参数数据采集24-29
• 3.1.1 太阳能热利用系统中的性能参数传感器24-27
• 3.1.2 太阳能热利用系统中的视频信号采集27
• 3.1.3 太阳能热利用系统中的数据采集器27-29
• 3.2 物联网通信与数据传输29-32
• 3.2.1 物联网通信具体实现方案29-30
• 3.2.2 数据无线传输通信设备介绍30-31
• 3.2.3 传感器数据传输解决方案31
• 3.2.4 视频数据无线传输解决方案31-32
• 3.3 数据中心的构建32-33
• 3.4 基于物联网的系统控制策略33-35
• 3.4.1 进水控制33
• 3.4.2 水温控制33-34
• 3.4.3 太阳能集热器倾角控制34-35
• 第四章 太阳能热利用系统热性能分析35-50
• 4.1 太阳能热利用基础理论35-36
• 4.2 太阳辐射模型的仿真实现36-42
• 4.2.1 基本辐射参数的模型实现36-40
• 4.2.2 Hottel 辐射模型的实现40-42
• 4.3 太阳能热水系统最小补充热量计算模型42-50
• 4.3.1 热水系统最小补充热量的计算方法42-45
• 4.3.2 上海临港地区实例分析45-50
• 第五章 太阳能热利用信息监管平台的设计与实现50-62
• 5.1 系统需求分析50-51
• 5.1.1 系统总体目标50
• 5.1.2 系统的功能需求50-51
• 5.2 数据库设计51-55
• 5.2.1 空间数据库51-52
• 5.2.2 属性数据库52-53
• 5.2.3 空间数据与属性数据的融合53-55
• 5.3 功能模块设计55-56
• 5.3.1 管理信息子系统55
• 5.3.2 地理信息子系统55-56
• 5.3.3 辅助决策子系统56
• 5.4 图形用户界面设计56-62
• 5.4.1 管理信息子系统部分运行界面的实现56-58
• 5.4.2 地理信息子系统部分运行界面的实现58-59
• 5.4.3 辅助决策子系统部分运行界面的实现59-62
• 第六章 结论62-65
• 6.1 内容总结62-63
• 6.2 研究创新与特色63-64
• 6.3 研究展望64-65
• 参考文献65-69
• 附录69-71
• 研究生期间取得的科研成果69
• 研究生期间参与的科研项目69-71
• 致谢71

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