Автоматизированная автономная гелиосистема с интеллектуальным модулем управления

13 
излучением, приведенных в работах John A. Duffie, William A. Beckman. Энергия рас-
сеянного излучения зависит от прямого излучения и ряда факторов, измеряемых 
усреднёнными значениями, такими как k
T
- среднее излучение на наклонных поверх-
ностях и I
d
 / I - отношение диффузного излучения к прямому излучению в пределах 
атмосферы и зависит от состава атмосферы в конкретном месте. А энергия отражен-
ного излучения рассчитывается из умножения текущей интенсивности излучения на 
ее телесный угол, который должен быть определён в каждом эксперименте и коси-
нуса полярного угла, из чего получаем поток излучения, который будет иметь значе-
ния того же порядка что и энергия отраженного луча (энергия отраженного излуче-
ния может иметь числовые значения от нуля до бесконечности). Из чего следует, что 
диффузное и отраженное излучение характеризуются усредненными значениями, 
которые возможно сгенерировать как случайный сигнал с заданным диапазоном из-
менения значений.
Для расчета значений прихода прямого излучения (Х'c), измеряемого в Вт/м
2
применена методика с наименьшей погрешностью, которая была использована 
NASA США в 2017 году для формирования «The NASA Surface Meteorology and Solar 
Energy Data Set». Разработанная имитационная модель прихода солнечной радиации 
позволяет вычислить почасовую солнечную радиацию внутри атмосферы Земли в 
течение года для заданной координаты. Модель реализована в Matlab Simulink и мо-
жет быть применена для решения задач смежных исследований. 
Общая формула для вычисления прихода прямой солнечной радиации имеет 
вид: 
G
cb
=G
on
×tb×cos
Qz
, где 
(2) 
G
cb 
– прямая солнечная радиация внутри атмосферы (Вт/м
2
), G
on
- прямая солнечная 
радиация за пределами атмосферы (Вт/м
2
), tb – коэффициент пропускания атмо-
сферы для лучевого излучения, cos
Qz 
– косинус зенитного угла склонения солнца от-
носительно заданной координаты (0°-180°). На рисунке 7 приведен фрагмент интер-
фейса имитационной модели прихода солнечной радиации по часам за год. 
Рисунок 7 – Фрагмент интерфейса имитационной модели 

14 
На основе предложенной модели, реализован автоматизированный синтез зна-
чений понижающих коэффициентов, имитирующих влияние уровня облачности (в 
том числе, позволяет имитировать образование тени). Реализована имитационная мо-
дель следящей системы по часовому углу склонения солнца на основе расчета при-
хода прямой солнечной радиации по часам для заданных географических координат. 
Предложенная реализация, может быть основой для программного регулирования 
положения рабочей поверхности солнечного коллектора или следящей системы, 
включающей измерительные устройства. Основное преимущество предложенной 
реализации в функциональной возможности автоматизированного синтеза почасо-
вых значений прихода солнечной радиации с учетом понижающих коэффициентов, 
имитирующих влияние облачности/тени, выполняемого для задаваемых географиче-
ских координат в том числе в режиме реального времени. Структура модели пред-
ставлена на рисунке 8. 
Рисунок 8 – Структура модели следящей системы по часовому углу склонения солнца. 
Предложенная имитационная модель является основой для прогнозирующих 
и оптимизирующих модулей ИАСУ. Дискретизация выполненного расчета позво-
ляет реализовать имитационную модель ИАСУ с суточным циклом на 365 дней в 
году. Синтезированные в модели значения используются в реализации прогнозиру-
ющего и оптимизирующего модуля ИАСУ. Массив значений X
р|c|р\о 
(излучение, при-
нимаемое рабочей поверхностью за час), имеет вид: 
, 
(3) 
Элементы матрицы — это значения X
t n р|’c|’р\о
, где: 
t - номер часа, n - номер ИзУ (рисунок 2), р – излучение, измеренное (Вт/м
2
), ’c 
– моделируемое значение излучения солнца (Вт/м
2
), ’р\о - моделируемое значение 
рассеянного и отраженного излучения (Вт/м
2
). 
В работе рассматривается система, находящаяся под воздействием некоторого 
количества источников теплового излучения, окружающих рабочую поверхность 
(для измерения излучения необходимо минимум 5 ИзУ, расположенных на гранях 
прямоугольной рабочей поверхности).
X
р|c|р\о 
= 
X
11р|’c|’р\о
X
12р|’c|’р\о
X
13р|’c|’р\о
X
14р|’c|’р\о
X
15р|’c|’р\о
X
21р|’c|’р\о
X
22р|’c|’р\о
X
23р|’c|’р\о
X
24р|’c|’р\о 
X
25р|’c|’р\о
… 
X
t n р|’c|’р\о
X
t n р|’c|’р\о
X
t n р|’c|’р\о
X
t n р|’c|’р\о 
X
t n р|’c|’р\о

15 
Далее на рисунке 9 приведена декомпозиция функциональной схемы гелиоси-
стемы с интегрированной ИАСУ. 
Рисунок 9 – Декомпозиция функциональной схемы гелиосистемы с ИАСУ, 
где: ИС – имитационная модель прямого излучения солнца; ИР/О – имитационная модель 
диффузного/отраженного излучения; ИзУ – измерительные устройства; ПМ – прогнозирующий 
модуль; ОМ – оптимизирующий модуль; РУ – модуль расчета угла наклона рабочей поверхности 
коллектора; Мех. – исполнительный механизм; РП – рабочая поверхность; УУ
б 
- устройство управ-
ления бойлерной системой. 
Блок ИМ (имитационная модель) включает: ИС – модуль расчета значений 
прихода прямой солнечной радиации в Вт/м
2 
(N - порядковый номер дня, Q - уровень 
облачности в определенном часу от 0.1 до 0.9); ИР/О – модуль расчета значений из-
лучения в период времени (t
и
– период времени в часах) в Вт/м
2
, используемый 
только при тестировании и настройке ИАСУ; ИУ – модуль расчета значений силы 
тока в А, преобразованного в результате воздействия излучения в Вт/м
2
на измери-
тельное устройство, используемый только при тестировании и настройке ИАСУ. 
Блок ИМ синтезирует значения силы тока I
р
|I'
c
, пропорциональные значениям Х
р
(из-
лучение измеренное), определяемые условием Х'
c
≤ Х'
р\о 
– если рассеянное/отражен-
ное излучение больше прямого, то учитывать Х'
р\о 
(условие справедливо только для 
сигнала ИзУ, расположенного на грани рабочей поверхности, направленной вверх).
Блок УУ
к
(устройство управления коллектором) включает:
- ПМ – прогнозирующий модуль, выполняющий расчет номеров направлений 
воздействующего наибольшего излучения (w1|w2 - номера направлений излучения);
- ОМ – оптимизирующий модуль, выполняющий расчет количества шагов ис-
полнительного механизма для перемещения в направлении наибольшего излучения 
относительно текущей позиции и синтезирует решение о смене или игнорировании 
нового направления ((w – оптимальное направление, step – количество шагов испол-
нительного механизма по двум координатам, которые необходимо совершить до но-
вого направления, (Е
п
– энергия, необходимая на перемещение. Учитывается как 
мощность электрического двигателя исполнительного механизма, умноженного на 
+
Котел
Бак
Насос
УУ
б
Т
ж
Т
1
Т
с
U
б
ОУ
б
Х
вб
Т
о
Q
в
Т
п
ИС
ИУ
ИР/О
N
Q
t
и
РУ
w
ОМ
ПМ
w1|w2
Е
п
УУк
ИМ
Х'
c
Х'
р\о
I
р
|I'
c
Step
U
к
Х
р
РП
Мех.
S
п
ОУ
к
[
φ
а 
φ
з
]
Т
2
Х
вк

16 
время, за которое механизм совершает 1 шаг для корректировки угла наклона рабо-
чей поверхности коллектора на 4.5°));
- РУ – модуль расчет угла наклона рабочей поверхности (U
к 
– закон управления 
[φ
а
φ
з
] – азимутальный и зенитный угол). 
Блок ОУ
к
(объект управления - коллектор) включает: Мех. – исполнительный 
механизм прямого хода, поддерживающий вращение штока, за 1 шаг корректирую-
щий азимутальный/зенитный угол на 4.5° (S
п
– площадь активно поглощающей по-
верхности в м
2
); РП – рабочая поверхность коллектора (Т
2
– температура воды на вы-
ходе из коллектора в °С); Х
вк
– возмущающее воздействие на коллектор (излучение 
прямое, диффузное, отраженное в Вт/м
2
, температура внешней среды в °С).
Средствами ПМ, ОМ и РУ на базе систем нечеткого логического вывода син-
тезируется закон управления в результате последовательности операций: 
1) производится оценка, характеризующая параметры воздействующего излу-
чения; 
2) производится расчет затрат энергии на переориентирование; 
3) выполняется расчет угла наклона рабочей поверхности на основании номера 
направления и количества шагов между позициями, соответствующими текущему 
направлению и новому направлению. 
При положительной оценке прогноза корректировки, выполняется операция 
по переориентированию рабочей поверхности, при отрицательной - смена направле-
ний игнорируется, и корректировка не производится. 

жүктеу/скачать 1,32 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: