太阳跟踪技术（精选7篇）
太阳跟踪技术 篇1
1 引言
节约能源, 保护环境已经成为人类可持续发展的必要条件。人们的注意力正转向再生能源的利用和开发。其中, 太阳能发电已成为近些年研究的热点。但其发电效率较低成为制约发展的重要因素。目前, 最大功率跟踪 (MPPT) 技术是提高发电效率的有效途径之一。
2 太阳能电池特点
太阳能电池发电受气候条件影响, 输出功率随电池温度, 太阳光强变化而变化, 具有非线性特点 (图1和图2) 。
图1中, 曲线1的温度最低, 曲线3的温度最高。图2中, 曲线1的光强最弱, 曲线3的光强最强。可以看到, 由于外界环境的变化是随机的, P-V曲线是多条漂移未知的曲线, 不能通过一个固定的传递函数确定最大功率点, 为了保证在一定的气候条件下, 电池运行在极值功率点附近, 最大功率跟踪技术必不可少。
3 最大功率跟踪的理论基础
分析图3所示的线性电路:
图中, Vi为电压源电压, Ri为电压源的电阻, R0是负载电阻。
负载消耗的功率为:
undefined
方程 (1) 中, Vi, Ri均是常数, 对R0求导, 可得
undefined
令undefined, 即Ri=R0时, PR0取得最大值。
由此, 可以看出, 对于一个线性电路, 当负载电阻和电源内阻相等时, 电源输出功率最大。虽然太阳能电池和DC-DC转换电路都是非线性的, 但是在其工作点附近很小的范围内, 可以将它们看作是线性电路。但实际中, 测量电阻比较复杂。考虑到电阻和电压存在一定的关系, 可以把 (2) 式转换成undefined, 找到太阳能电池的最大功率。
4 最大功率跟踪算法的研究
近些年来, 多种最大功率跟踪技术得到了深入研究。微扰观察法 (简称P&O) 和增量电导法 (简称IncCond法) 是目前比较流行的方法。
4.1 微扰观察法 (P&O法)
微扰观察法实质是引入一个小的变化, 然后进行观察, 并与前一个状态进行比较, 进而调节。
具体方法是:先测量太阳能电池第i时刻的电压Vi和电流Ii, 由Pi=Vi×Ii计算出功率Pi。然后与第i-1时刻功率比较。根据比较的结果调节太阳能电池的工作点。这里引入一个参考电压VREF, 当进行比较后, 调解参考电压, 使之逐渐接近最大功率点的电压。在调节太阳能电池工作点时, 依据这个参考电压进行调节。
图中, Vi, Ii, Pi为第i时刻的电压, 电流和功率。Vi-1, Pi-1为第i-1时刻的电压和功率。
从流程图中可以看出, 采样第i时刻的电压Vi和电流Ii, 计算出功率Pi, 与第i-1时刻的功率Pi-1比较后。判断电压的变化, 在参考电压VREF加 (减) 一个调整因子ΔV, 然后进入下一次测量, 比较。这种方法简单易懂, 容易实现, 是目前比较常用的方法。但是这种方法依赖于VREF初始值的设定, 不适于气候快速变化的情况。当VREF初始值与最大功率点的电压相差较大, 且调整因子ΔV设置不是很合理时, 将会花较大的时间才能使工作点到达最大功率点, 而且有可能会导致工作点远离最大功率点。
4.2 增量电导法 (IncCond法)
微扰观察法通过调整工作点电压, 使之逐渐接近最大功率点电压来实现太阳能电池最大功率跟踪, 避免了微扰观察法的盲目性。
其原理如下:
假设太阳能电池输出功率为P
P=V×I (3)
方程 (3) 中, 对V求导:
undefined
假设最大功率点电压为Vmax
由图 (1) 和图 (2) 可知, 当undefined时, V
将上述三种情况带入方程 (4) , 可得:
当V
当V>Vmax时, undefined
当V=Vmax时, undefined
可以根据undefined与undefined之间的关系来调整工作点电压, 从而实现最大功率跟踪。
图5为增量电导法流程图。图中, Vi, Ii为第i时刻的电压、电流。由于dV是分母, 首先判断dV是否为0。如果dV=0, dI=0, 则认为找到最大功率点, 不需要调整。如果dV=0, 电流变化量不为0, 依据dI的正负调整参考电压。若dV不为0, 则根据方程 (5) 、 (6) 、 (7) 对参考电压进行调整。
从以上分析看出:采用增量电导法, 对工作点电压的调整不再是盲目的, 即通过每次测量和比较, 预测出最大功率点的大致位置, 再根据结果进行调整。这样, 即使在气候变化较快的时候, 也不会出现远离最大功率点的情况。通过对比可知:在对太阳能电池进行最大功率跟踪时, 增量电导法效果较好。但是由于其计算量比较大, 需要记录的数据较多, 必须采用高速处理器。
4.3 这两种方法中调整因子ΔV的确定
在微扰观察法和增量电导法中, 均涉及调整因子ΔV的问题。ΔV的取值与能否很好的实现最大功率跟踪关系紧密。ΔV设置太大, 导致跟踪精度不够, 太阳能电池的工作点将始终在最大功率点附近;ΔV设置太小, 虽然提高了跟踪精度, 但是跟踪速度很慢, 系统会浪费很多能量。
目前, ΔV的确定有很多方法, 概括起来主要分为两类: (1) 固定ΔV, (2) 变化的ΔV。
比较简单的方法是依据经验采用固定ΔV。采用此法, 设计简单, 计算容易, 但由于太阳能电池的输出功率存在非线性, 跟踪精度和跟踪速度之间的矛盾很难较好的解决。
变化的ΔV则依据每次测量和计算的结果不断调整ΔV。当远离最大功率点时, 增大ΔV, 加快跟踪速度;当接近最大功率点时, 减小ΔV, 提高跟踪精度。
调整ΔV的算法有PID算法, 自适应搜索算法, 模糊算法, 神经网络等。
摘要：针对太阳能的功率特性, 提出了最大功率跟踪的方法, 同时分析了几种方法的特点, 证明了最大功率跟踪技术的可行性。
关键词：太阳能,最大功率跟踪,微扰观察法,增量电导法
参考文献
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太阳跟踪技术 篇2
太阳能作为新能源的一种, 有着它不可估量的市场和潜力。太阳能发电应用有光伏和光热两种方式。所谓光伏发电就是将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能。光伏 (PV) 发电技术在国外已得到深入研究和推广, 我国在技术上也已基本成熟, 并已进入推广应用阶段。光热发电, 主要是采取聚焦技术, 利用镜面将阳光集中起来, 以便产生中高温热能, 然后利用热能产生蒸汽, 推动汽轮发电机组来发电。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 这对太阳能的收集和利用装置提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板基本上都是固定的, 不能充分利用太阳能资源, 发电效率低下。如果能始终保持太阳能电池板和光照的垂直, 使其最大化地接收太阳能, 则能充分利用丰富的太阳能资源。因此, 设计开发能自动追踪太阳光照的控制系统, 是非常有价值的研究课题。
2 基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统
图1是基于ARM 11的太阳能自动跟踪系统整体框图。系统由能量收集单元、数据采集单元、ARM11控制中心、角度调整单元和电源模块等组成。系统主要完成太阳位置计算、电机驱动、位置检测、显示、监控等功能。主控制器ARM11根据天文模型中时间和日期以及观测点经度、纬度计算出太阳的位置, 并与编码器检测的跟踪轴位置相比较, 根据两者的差值输出控制信号, 驱动电机向程序计算的位置运动。它可实时测量并追踪太阳方位, 保持入射阳光与太阳能电池板相对垂直。
2.1 系统硬件的设计
图2是跟踪系统硬件组成图, 包括太阳能电池板、支架、减速机、步进电机、步进电机驱动模块、绝对式编码器、模拟信号采集模块、控制中心等。控制中心选用了低功耗、高性能的ARM11s3c6410, ARM11板采用“核心板+底板”结构, 板对板之间选用高质量进口连接器, 坚固耐用, 镀金工艺可保证其常年运行不氧化。为保证用户自行设计的产品品质, 采用6410核心板的用户可以免费得到四组底板插座。核心板尺寸仅5cm×6cm (业内最小) , 引出脚多达320个, 带有CVBS输出 (内部有16Mbit独立视频缓存) 。软件支持Linux、Win CE、Android、u C/OS-II (独家提供) 等主流操作系统, 具有触摸显示屏的功能。
控制中心采用ARM11作为系统的控制与分析以及状态监视的核心, 是系统研究工作的重点。主要完成数据显示和控制信号输出。
(1) 实时显示与监控:将模拟信号采集模块ADAM 4022T采集的电能信息进行显示, 以实现实时监控。
(2) 控制分析与控制输出:控制主要以提高太阳能采集效率为目的, 以上位机通过网络控制PWM来控制电机, 实现太阳能采光板角度等方位坐标的控制, 以及电机的使能。主控制器ARM11根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置, 并与绝对式编码器检测的跟踪轴位置角度相比较, 根据两者的差值输出控制信号, 控制输出信号包括控制电机的转向、控制电机的使能、信号放大, 通过综合控制, 驱动电机转动, 使太阳能电池板处于接收阳光最大值的位置。
系统采用通用的RS485总线, 组建RS485工业网。RS485总线是一种基于平衡发送和差分接受的串行总线, 具有很强的抗共模干扰能力, 在适当的波特率下传输距离远。同时由于其硬件设计简单、控制方便、易于进行网络扩展, 组建控制系统, 具有较强的系统扩充或裁减。而且由于目前该总线形式是比较常用的工业总线形式, 可以较好的配套相关器件, 有利于系统开发和维护。
2.2 系统软件的实现
系统软件的开发采用的是功能强大的图形化编程软件——虚拟仪器 (lab VIEW) 。它能够为开发者提供简明、直观的图形编程方式, 能够将繁琐复杂的语言编程简化成为以菜单方式选择功能, 并且用线条将各种功能连接起来, 十分省时简便。与传统的编程语言比较, Lab VIEW图形编程方式能够节省85%以上的程序开发时间, 大大缩短系统开发周期, 体现出了极高的开发效率。同时由于Lab VIEW内集成了多种控件, 可以实现比较专业的、美观的人机界面, 方便用户使用。
系统首次启动时, ARM11首先根据天文模型中日期和具体时间以及观测点经度、纬度计算出太阳的角度位置, 并存储在ARM11的内部FLASH中。此时系统打开处理器内置的ADC转换通道, 接收角度传感器传递来的数据, 开始进行A/D转换, 以获取当前的太阳能电池板的角度。通过比较当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置, 系统打开PWM控制器, 输出控制信号实现对电机的控制。同时A/D转换同步进行, 当当前的太阳能电池板的角度和天文模型中计算出太阳的角度位置相等时停止PWM控制器输出, 设定合适的采样时间, 控制过程循环进行。图3为系统软件流程图。
3 实验
实验以包头为例, (地理坐标:109.83’E、40.65’N) , 每2个小时为1时间段, 见表1。
说明:测试时间为冬天, 东西向, 单位千瓦时。如果采用固定位置每天的有效日照大约5h, 而采用自动跟踪每天的有效日照大约8h。
结语
本文设计了一种基于嵌入式技术的太阳能自动跟踪系统, 基于当前先进的嵌入式控制系统, 结合先进的Lab VIEW编程方式, 打造出易于开发、功能丰富、人机界面友好的太阳能自动跟踪系统;由于充分的平衡了系统成本和太阳能利用效率的关系, 使方案具有较好的实用性和推广价值。
参考文献
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[3]张建波, 殷群.嵌入式太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J].桂林科技大学学报, 2010 (06) .
太阳能跟踪系统的研究 篇3
太阳能是一种可以不断持续利用的清洁能源, 同时也是一种特别理想的可再生能源。 由于太阳能能量密度低, 就目前的技术而言, 对太阳能的接收连续性比较差, 并且随着季节、昼夜、气候条件的变化而有比较大的变化。 如今, 太阳能的应用主要集中在太阳暖房和太阳能热水器等采光时间不连续、 能量密度要求不高和用户分散的一些领域, 这就使得这些设备无法提高太阳能的利用效率。 大力发展太阳能光伏发电是节约矿石能源、降低二氧化碳排放、确保能源安全和实现可持续发展的有效途径之一, 太阳能作为一种绿色可再生能源, 对其充分利用是非常重要的, 太阳能自动跟踪系统的研究是当前研究的一个热点[1,2,3,4]。 目前, 制约太阳能光伏发电的主要因素是光电转换成本高、发电量波动大以及不适合于远距离输送[5,6]。 采用自动跟踪系统可延长太阳能发电时间, 增加发电量, 一定程度上降低发电量的波动, 降低太阳能发电成本。 由于太阳在天空中的位置是不断变化的, 影响太阳能的吸收效率, 为此本次研究了一种太阳能自动跟踪系统来跟踪太阳光线, 用来提高太阳能利用率。
1 系统设计原理
1.1 光敏检测的原理
光敏采集电路接口原理图如图1 所示。
当光敏电阻被光照射, 光敏电阻的阻值就会变小, 采集点电压就会升高, 从而达到检测试否有光照的作用。
单片机时刻扫描采集点的电压 (分四个方向:东、南、西、北) , 并且进行比较, 得出光照的最强点, 从而控制舵机工作。
1.2 舵机控制原理
1.2.1 PWM信号的定义
PWM信号为脉宽调制信号, 其特点在于它的上升沿与下降沿之间存在一定的宽度, 本次设计采用的HG14-M舵机采用传统的PWM协议, 具有产业化, 成本低, 旋转角度大易控制等优点, 不用随时接收指令, 减少CPU占有时间, 可以位置自锁, 位置跟踪。
1.2.2 PWM信号控制精度制定
本设计采用的是8 位的微控制器STC12A60S2, 其数据分辨率为28=256, 对HG14-M而言, 将其划分为250 份最为合适, 且PWM上升沿最少为0.5ms, 最多2.5ms, 那么0.5m S—2.5Ms的宽度为2m S=2000u S。 则PWM的控制精度为2000 / 250=8us, 故以8u S为单位递增控制舵机转动与定位。 HG14-M舵机可以转动的角度为185 度, 则其控制的精度为185 / 250=0.74 度。
1.3 时间采集原理
本设计采用的时钟驱动电路如图2 所示, 采用DS1302 芯片来让系统获取精准时间, 它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时、且具有闰年补偿等多种功能, 功耗低且实时性高。 DS1302 与MCU进行数据交换时, 首先由MCU向DS1302 发送命令字节, 字节最高位 (bit7) 必须为0, 写1 时则无法对芯片进行读写;其次bit6 为0 时指定时钟数据, 为1 时指定RAM数据;bit5~1 指定输入或输出的特定寄存器;最低位bit0 为逻辑0, 指定写操作, 为逻辑1 时则指定读操作。
1.4 液晶显示原理
本设计显示部分采用LCD1602 进行数据的实时显示, 并通过按键来显示不同的数据。 LCD1602 专门用于显示字符的点阵型液晶, 此次采用的液晶由5*11 的点阵字符位组成, 每一个点阵字符位都可以显示一个字符, 字符位每一行存在间隔, 并且在相邻点阵字符位之间也存在间隔。MCU通过发出指令来控制LCD工作。LCD通过数据总线DB0~7 和E ( 使能端) 、R/W ( 读写端) 、R/S ( 寄存器选择位) 与MCU连接, 两者通过一定的时序相互传输数据。 主控芯片发出的指令和数据, 存放在液晶的字符存储区中, 进行一系列的查找之后最终显示出字符数据。 并且MCU通过发出不同的指令, 可以使得液晶实现字符的闪烁, 移位等功能。
2 系统设计
2.1 系统硬件设计
系统硬件结构图如图3 所示:
由舵机控制的太阳能跟踪系统的设计主要分为五个模块:主要有主控电路、光电检测模块, 时钟模块, LCD1602 显示模块, 按键选择模块, 每个模块的衔接和驱动都由程序控制。 它的主要原理是:它的主要原理是把太阳能跟踪传感模块采集的信号通过AD转换电路输入到单片机进行处理比较。 经过单片机的判断数值比较, 单片机随之输出相应的PWM波控制舵机转角。 直到太阳跟踪传感器接收到的信号相等为停止, 也就是指向太阳的时候停止。
2.2 系统软件设计
整个系统程序设计主要包括光电检测, 舵机控制, 时间采集、数据显示4 部分。 其工作流程图如图4 所示;系统软件设计如下:系统启动后, 首先进行各个模块的初始化, 之后为循环过程:通过DS1302 获取精确的时间, 没到达工作时间系统不开启跟踪, 仅显示基本时间数据。达到工作时间之后, 自动开启光电检测装置, 开始跟踪, 判断太阳能电池板是否垂直于太阳光。
3 总结
本系统采用手电筒作为光源, 通过改变手电筒的亮度来模拟太阳光照的强弱, 通过改变手电筒的位置来模拟太阳的转动, 把光电传感器采集到的信号输入给STC12 昨相应的处理来控制舵机的转动, 实验结果表明, 舵机能够依据四个方向的光照强弱做正反转运动, 当四个方向的光强差值较大时, 舵机转动的角度也较大;当差值小时, 舵机转动角度也小, 初步认定系统能够准确跟踪太阳。 跟踪系统太阳能的利用率和电量损耗是限制太阳能跟踪系统广泛应用的又一问题。 系统在夜晚时不启动跟踪, 利于减小电源损耗, 因此该系统具有较好的实用价值。
参考文献
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一种太阳自动跟踪发电装置 篇4
随着化石燃料的大量使用, 我们的环境污染越来越严重, 雾霾及高温天气已严重影响到人们的生活。对清洁及可再生能源的需求已越来越急迫, 光伏发电就是一个很好的替代能源。然而, 由于太阳电池组件的成本偏高, 在我国还没能普及使用。已有越来越多的人研究降低光伏发电成本的方法, 由于自动跟踪太阳后能显著提高太阳电池组件单位面积的发电量, 于是涌现了很多自动跟踪太阳的光伏发电装置专利, 但现有专利设计的装置要么采用复杂的减速机构, 要么稳定性不够, 防风能力差, 要么自身驱动能耗高, 总之, 现有很多专利涉及的跟踪装置性价比不高, 以至于还没能普遍采用。
本文设计了一种自动跟踪太阳方位角的光伏发电装置, 用于提高太阳能电池组件的发电量。
2 设计思路
为了解决现有跟踪装置结构复杂、电子及机械部件故障多、寿命短等问题, 本文设计了一种自动跟踪太阳的装置。该装置包括:两块太阳电池板、水箱、水泵、转动支架。太阳电池板及水箱、水泵都安装在旋转轴上。两块太阳电池板之间成一个夹角, 向着太阳的一块发电多, 驱动水泵带动旋转轴转向太阳, 实现自动跟踪。
2.1 装置结构:如下图所示, 该跟踪装置包括:两块太阳电池板、水箱、水泵、转动支架。太阳电池板及水箱、水泵都安装在旋转轴上。
2.2 驱动原理:
图中, 1是用于跟踪的太阳电池板, 共两块, 一左一右呈一定夹角对称布置, 初装时与水平面间理想的夹角是30度;2是旋转支架, 用于安装太阳电池组件;3是水箱, 水箱呈圆柱形, 水平安装, 水箱内装大约一半的水或防冻液 (防冻液适用于气温低于0℃的地区) ;4是水箱内部左右两边的连通气孔;5是水箱左右两边的隔板;6是旋转支架的转动轴, 该轴呈南北向水平安装在固定支架上, 可绕固定支架在东西方向上旋转;7是连接水箱与水泵的水管;8是直流双向水泵。
初始安装时, 直流双向水泵通过水管与水箱的左右两个腔室连接, 水箱内装一半的水或防冻液。水箱和旋转支架固定在旋转轴上由于水泵安装在水箱的下面, 导致支架整体的重心偏下, 所以旋转支架2在重力的作用下呈水平状态。
将一左一右两块太阳电池板1的输出端直接连到直流双向水泵8的接线端子上, 这两块电池板的输出正负极反接。
当早上太阳从东边出现时, 右边的太阳电池板受光发电, 带动直流双向水泵8转动, 将水箱左边的水抽向右边, 于是旋转支架在水箱内水的重力作用下向右转动, 直到旋转支架左右两边的太阳电池板受到太阳的同等照射时, 直流双向水泵8失去动力不再抽水, 此时旋转支架正好对准太阳。
当太阳继续从东向西移动时, 左边的太阳电池板接收的阳光比右边的多, 输出的电力也更多, 带动直流双向水泵8转动, 又将水箱右边的水抽向左边, 于是旋转支架在水箱内水的重力作用下向左跟着太阳转动, 直到太阳西下, 太阳电池板不再发电, 直流双向水泵8失去动力不再抽水。此时由于左边水箱内的水位高于右边水箱的水位, 在重力的作用下, 水箱里的水通过水管从左边缓慢向右边回流, 直到左右两边水箱内的水位相等, 旋转支架再次回到水平位置, 等待第二天太阳升起后再次跟踪。
2.3 防风设计:
由于选择支架可以绕轴自由旋转, 一阵风吹过, 往往引起支架的摆动, 不利于光伏发电。为避免这个不利的影响, 我们在旋转轴与固定支架间安装了一个旋转阻尼器。该阻尼器可以抑制阵风引起的旋转支架的摇摆, 而不阻碍跟踪太阳的低速转动。
在阴雨多云的天气里, 当阳光不足以驱动水泵时, 旋转支架总是趋向于返回水平位置对着天空, 不但能让太阳电池组件接收最多的散射光, 还能减少风阻使系统防风性能更佳。
3 实验效果
本人于2014年5月16日在东莞松山湖的一栋建筑顶上安装了一套这样的跟踪系统, 同时安装了一套固定光伏发电系统, 两套系统的光伏发电功率都是250W, 一年后, 跟踪系统发电324KWh, 固定系统发电279KWh, 跟踪系统比固定系统多发电16%。
经测算, 当系统的装机容量大于2Kw时, 这种跟踪系统的成本占整个发电系统总成本的比例已低于15%, 所以当跟踪系统的装机容量大于2Kw时, 这种跟踪系统已具有经济效益。
4 结论
本装置包括:两块太阳电池板、水箱、水泵、转动支架, 通过电池板直接驱动水泵实现跟踪功能。省却了其他跟踪系统常用的感光元件、单片机或程序控制器等电子器件, 省却了常用的齿轮减速机构, 不需要外部供电。由于很多电子器件的寿命短, 与光伏发电系统25年的质保期不匹配, 而本跟踪系统完全不用电子器件, 整套系统结构简单, 皮实耐用, 可与光伏发电系统寿命周期匹配, 具有经济实用价值。
参考文献
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低功耗太阳实时跟踪装置的设计 篇5
随着能源短缺、环境污染影响的加剧, 可再生能源的利用日益受到广泛关注。可是在太阳能应用中转换率低始终是人类全面利用太阳能的一大障碍, 其中到达地面的太阳能密度太低, 是一个基本原因, 其峰值也不过每平方米一千瓦左右。由于太阳是按照一定的轨迹运动的, 其空间分布不均, 因此, 对太阳进行实时跟踪是直接提高太阳能利用率的一种有效方法。在太阳能发电中, 相同条件下, 一般采用跟踪技术能够提高发电效率30% 以上[1]。所以, 就必须对太阳进行跟踪, 跟踪方法主要有光电跟踪和视日运动轨迹跟踪[2]。光电跟踪灵敏度高, 结构设计方便, 本文设计出一种利用光电传感器作为光信号的采集器件, 控制舵机角度, 从而改变电池板的角度, 使得电池板平面始终在垂直在太阳光的位置上。
2 硬件设计
低功耗太阳跟踪装置主要包括主控制器电路、光信号采集电路、舵机驱动电路、电源电路、USB转RS232电路五个模块。结构框图如图1所示。
主控芯片选择TI公司生产的16位MSP430F149单片机, 外部电路是由光敏三极管作为光电传感器件将光强信号转换为电信号, 经过放大器电路处理, 通过内部12位AD采集, 将采集的数据实时的送入单片机, 根据光强信号的变化找寻到光强最强点后, 单片机对舵机转动角度进行控制, 直到找到最强光源处, 同时通过USB接口将数据上传到上位机[3]。主控制器电路完成控制并协调各个外围设备工作的功能。其主要是通过软件编程, 按需要从外设获取信号并处理信号, 最终实现控制作用。
(1) 光信号采集电路。光信号采集电路就是通过光敏三极管将光强信号转换为电压信号的电路, 如图3 所示。光敏三极管和普通三极管的结构相类似, 不同之处是光敏三极管有一个对光敏感的PN结作为感光面, 一般用集电结作为受光结, 光敏三极管实质上相当于在基极和集电极之间接光敏二极管, 由于光敏三极管具有半导体三极管的放大作用, 当有光照射时, 光敏三极管产生的光电流就是将光敏二极管的光电流放大了。为了采集效果好一些, 进行简单的运放处理电路后, 再经过由TLC2202 搭接的电压跟随器, 使得电压信号输入到单片机的AD进行采样[4]。为了更好的控制, 在电池板上放置三个不同位置但在同一直线上的光敏三极管, 分为左中右三组。
(2) 舵机和电源电路。采用的是SH14-M数字舵机, 从主控芯片产生的PWM信号作为控制舵机方向的控制信号。舵机的转角达到185 度, 控制精度最大为256, 实际过程中, 将185 度分为250 份, 每份0.74 度, 控制所需宽度为0.5ms-2.5ms, 宽度2ms。DIV:2ms/250=8us。
电源电路需要有三个供电电源, 分别是单片机的3.3V供电、舵机的7.4V供电和光信号采集电路的5V供电。输入为12V电压, 电容进行稳压滤波后, 再接入中等功率的集成MOSFET的开关电源芯片TPS5430, TPS5430 在输出5V时能提供3A的最大负载电流。7.4V电压是由LM2596 稳压芯片及其外围电路完成的。3.3V稳压集成芯片TSP76433 将TPS5430 的5V电压稳压到3.3V供电。在系统供电时, 肖特基二极管D1 和D2 可以有效防止电池电流输入稳压集成芯片, 一则可以保护稳压集成, 二则可以减小一部分电流, 实现更低功耗[5]。
(3) USB转RS232电路。MSP430单片机有RS232接口, 波特率可设。但USB接口现在飞速发展, 现在每一台计算机都有USB接口。并且用串口编上位机软件比较容易实现。MSP430 单片机与计算机通信, USB转RS232 是必要的。我们采用了USB转RS232 芯片CP2102。
3 软件设计
主程序是整个软件的灵魂, 起主导作用。主程序的设计直接影响整个设计的进程。主程序主要通过调用子程序来完成控制命令的。通过软件控制语句, 函数等, 将这些子程序链接起来, 组成整个软件的骨架。当系统进入中断程序后, 首先对采集到的三路电压信号进行比较, 然后找出其中的最大值, 如果是中间值最大, 则不进行操作, 如果是左路值最大, 则调节PWM波的占空比使舵机向左旋转一度, 相反, 如果是右路值最大, 则调节占空比使舵机向右旋转一度, 依次循环, 一直到中间的光敏器件测到的数据最大为止。
4 系统测试及误差分析
本系统低功耗设计包括硬件和软件两方面。硬件方面, 选用了低功耗的芯片, 并且MCU的外设通过降低芯片工作电压及优化电路设计来降低功耗。软件方面, 由于MCU的睡眠模式和空闲模式具有可编程性, 我们使MCU进入休眠模式和空闲模式来降低功耗, 如将空闲的I/O管脚拉低, 采集数据的时候间隔采样等。如果到达采集时间MSP430F149 会定时被唤醒, 若没有, 则直接进入低功耗模式。
以MSP430F247 为控制核心, 用特殊算法对两个感光三极管进行数据采集以及分析, 通过控制舵机实现对点光源的定位和追踪, 能快速稳定的指向点光源。
摘要：为了充分、全面利用太阳能资源, 采用太阳跟踪的方法能够直接获取更多的光能, 设计了一种低功耗太阳跟踪装置, 该装置以TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149为核心, 通过光电传感器作为前向通路, 完成对太阳光源具体方位的实时采集, 同时, 单片机对舵机的PWM控制, 实现对太阳的实时跟踪功能。通过USB接口与上位机的通信, 该装置完成了对数据的实时查询、回放和保存功能的实现。系统测试结果证明了该装置的准确性和低功耗特性。
关键词：低功耗,MSP430F149,太阳能,跟踪装置,光电传感器
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智能太阳能最大功率跟踪系统 篇6
人类当前使用的能源主要来自煤炭、石油等化石能源。而占人类能源消费大部分的煤炭、石油等化石能源都是不可再生资源。据有关资料报导, 依目前石油储量的综合估算, 可支配的化石能源的极限大约为1180~1510亿吨。以上世纪90年代世界石油的年开采量33.2亿吨计算, 石油储量估计可维持到2050年左右;天然气储备估计在1318×103~1529×103Mm3, 年开采量维持在2300Mm3左右, 将在60年左右内枯竭;铀的年开采量为每年6万吨, 根据1993年世界能源委员会的估计, 铀也将于本世纪30年代中期宣告枯竭。煤的储量约为5600亿吨, 上世纪90年代煤炭年开采量约为33亿吨, 可以供应169年[1];应而新能源的开发与应用, 势在必行。作为新能源之一的太阳能, 更是受到越来越多的国家重视, 运用越来越广泛。
太阳能光伏发电具有无污染、取之不竭用之不尽等优点。太阳能光伏发电的特性是, 发电功率由温度、光辐射强度、太阳能电池板工作电压影响。为提高太阳能电池板的发电效率, 最大功率跟踪不可或缺。
1 太阳能电池特性分析
太阳能电池板由许多个小的太阳能电池组成, 根据需要的电压和电流, 通过相应的小太阳能电池块串并联获得。每个太阳能电池都是有具有PN结的半导体组成, 图1为太阳能电池板的等效电路模型[1,2]。
太阳能电池的伏安特性与太阳辐射强度和温度息息相关, 用函数关系可以表达为:I=V, Iph, T) 。由太阳能电池板的等效电路和半导体PN结特性, 可以用下式表示太阳能电池板的输出电流与输出电压的关系[3]:
其中:
I为光伏电池输出电流, 即工作电流;
V为光伏电池输出电压, 即工作电压;
Iph为太阳能电池板在阳光照射下产生的电流, 即光生电流;
Io为太阳能电池板的逆向饱和电流;
q为电子的电荷量;
n为太阳能电池板的理想因数, 当T=298K时, n取值2.8;
k为玻尔兹曼常数;
T为光伏电池表面温度;
RSh为太阳能电池内部等效并联电阻;
Rs为太阳能电池内部的等效串联电阻。
由上式模型可知, 太阳能光伏电池阵列具有典型的非线性特性。
通过上述的太能电池的模型分析, 太阳能电池板的输出不仅与太阳能辐射强度有关, 还与温度有关。为了更好地理解太阳能电池的输出特性, 分别分析太阳能电池的伏安特性及功率电压特性曲线随辐射强度及温度而变化的曲线[1,4]。太阳能电池随辐射强度而变化的特性见图2、图3。
图2是太阳能电池保持温度不变条件下随辐照度变化的伏安特性曲线。图3是太阳能电池保持温度不变条件下随辐照度变化的功率电压特性曲线。MPP (Maximal Power Point) 为太阳能电池最大功率点。由图可知:
(1) 太阳能电池的短路电流随太阳辐射强度增强而变大, 两者近似为正比关系。在最大功率点之前, 随着太阳能电池板输出电压的增大, 输出电流减小缓慢。但是, 最大功率点是个转折点, 该点后, 随着输出电压的增大, 输出电流急剧减小, 导致输出功率亦急剧减小。太阳能电池的开路电压在各种光照条件下变化不大;
(2) 太阳能电池的最大输出功率随光照强度增强而变大, 且在同一光照环境下有且仅有唯一的最大输出功率。在最大功率点左侧, 输出功率随电池端电压上升而增大, 近似线性增大。最大功率点右侧, 输出功率随输出电压的增大而急剧下降。
图4是太阳能电池保持辐照度不变条件下随温度变化的伏安特性曲线。图5是太阳能电池保持辐照度不变条件下随温度变化的功率电压特性曲线。从图4中可知, 温度对光伏电池的短路电流影响不大, 随着温度的上升, 短路电流只是略增加。但光伏电池的开路电压随温度上升下降较快。从图5可知, 太阳能电池输出功率变化趋势与不同太阳能辐射强度下的功率变化相类似。同一太阳能辐射强度下, 太阳能电池输出最大功率随电池温度上升而下降。同时, 最大功率点对应的工作电压也随温度上升而下降。
2 硬件电路设计
本系统是太阳能LED照明系统, 太阳能电池板的负载是蓄电池。白天只要太阳能转换成的电能 (最大功率处输出功率) 大于系统工作需消耗的功率, 即开始工作。在MCU的控制下, 对蓄电池充电。这里只对充电系统部分详细阐述, LED驱动[5]部分不作详述。
传统的充电电路部分是将太阳能电池通过二极管对蓄电池充电。二极管的主要作用是保证电流的单向流向性, 防止太阳能电池板电压比蓄电池电压低时的电流倒灌。再通过采用匹配蓄电池规格与太阳能电池板的规格使得效率不至于过低, 例如:对于12V规格的蓄电池, 则选用峰值电压为17V左右的太阳能电池板与其匹配工作;而对于24V规格的蓄电池, 则选用峰值电压为30V左右的太阳能电池板与其匹配工作。
这种传统的二极管式充电电路结构非常简单, 最大弊端在于充电时太阳能利用率非常低[6], 并且无法对充电过程进行控制, 导致严重影响蓄电池使用寿命同时, 影响蓄电池的充电效率[7]。对于传统充电电路, 随着太阳辐射能量的不同, 有三种情况分别是:
(1) 在太阳辐射功率较大时, 处于峰值功率处的电压比蓄电池电压大, 由于蓄电池的钳压作用导致太阳能电池板电压工作点只能比蓄电池电压略高。而太阳能电池板的功率输出同等条件下随着输出电压是先增大后减小, 即存在某一电压使得输出功率为最大值, 此电压称为峰值电压。电池板的工作电压与峰值电压相差越远, 输出功率越小, 如图6所示。
图6是太阳能电池板在某温度及太阳辐射强度下的伏安特性曲线示意图, 对于任意工作点, 与横坐标及纵坐标所围成的面积即为太阳能电池板输出功率。在太阳能电池板工作电压小于峰值功率电压时, 随着工作电压的提高输出电流下降, 但下降速度较慢, 输出功率增大。在太阳能电池板工作电压大于峰值功率电压时, 随着工作电压的提高输出电流急剧下降, 输出功率亦急剧下降。图6中A点是最大功率工作点, 面积 (1) 和面积 (2) 之和即为该条件下的最大输出功率。由于蓄电池的钳压作用, 对于12 V蓄电池系统, B点为实际的太阳能电池板的工作点。面积 (3) 和面积 (2) 之和为该条件下的实际太阳能电池板的输出功率。面积 (1) 与面积 (2) 之差即为采用传统的二极管式充电电路所损失的功率。
(2) 在太阳辐射功率较小时, 处于峰值功率处的电压比蓄电池电压小, 由于蓄电池钳压的作用导致太阳能电池板电压工作点只能比蓄电池电压略高, 从而导致太阳能电池板的实际功率输出比峰值输出功率要小。且同等情况下, 电池板的工作电压与峰值电压相差越远, 输出功率相差越大, 如图7所示:
图7是太阳能电池板在某温度及较弱太阳辐射强度下的伏安特性曲线示意图。太阳能电池板工作电压大于峰值功率电压时, 随着工作电压的提高, 则输出电流急剧下降, 输出功率亦急剧下降。图7中A点是最大功率工作点, 面积 (1) 和面积 (2) 之和为该条件下的最大输出功率。由于蓄电池的钳压作用, 对12 V蓄电池系统, B点为实际太阳能电池板的工作点。面积 (3) 和面积 (2) 之和为该条件下的实际太阳能电池板的输出功率。面积 (1) 与面积 (2) 之差即为采用传统的二极管式充电电路所损失的功率。
(3) 只有在太阳能电池板峰值功率处的电压与当前状态蓄电池电压相等时, 太阳能电池板实际输出功率才是太阳能电池板当前条件下峰值输出功率。而实际工作情况下, 太阳能电池板峰值功率处电压与当前状态蓄电池电压相等的时间几乎可以忽略不计。系统工作时, 绝大部分都是处于前面两种状态。
为最大效率利用太阳能, 必须设计电路系统在蓄电池电压和太阳能电池峰值电压功率不停变化时能自适应, 使太阳能电池板始终工作于最大功率处。考虑到太阳能电池峰值电压随温度及太阳能辐射强度变化而变化, 而系统所用蓄电池规格可以是12V也可能是24V。只具有升压或降压等单一功能的Buck和Boost并不能满足上述要求, 既能升压又能降压的拓扑结构为更佳选择。
可以知道既能升压又能降压的电路拓扑有BuckBoost变换器、Cuk变换器和Speic变换电路等。这三种变换电路最大区别在于Buck-Boost变换器和Cuk变换器都是输出电压与输入电压极性相反, 而Speic变换电路是输入输出同性。由于系统的MCU由蓄电池供电, 并且需要经常检测太阳能电池板的电压等, 若太阳能电池板输入电压和蓄电池电压极性相反, 给整个系统设计带来很多不便, 选用Speic变换电路问题便迎刃而解。基于MCU为控制器的充电电路子系统如图8图所示。
对于Speic变换电路, 关键的电路器件参数在于电感L1、L2, 耦合电容C2、输出电容C3, 开关管T及二极管D2。各器件参数设计如下:
Speic变换电路的传递函数是:
对于本系统, 采用的太阳能电池板是50W最大功率峰值电压是18V, 蓄电池是24V。考虑到太阳能电池板的峰值电压随太阳辐射强度变化而变化, 蓄电池端电压也随着其蓄电状态变化而变化, 作如下设计:
输入:13~20V
输出:24~28.8V
由于二极管存在压降, 依传递函数有
故可得Dmax与Dmin:
若电感L1、L2单独绕制, 具体电感量由下式决定:
其中, I为电流的纹波增量取0.6A,
f为系统的工作频率为97kHz。
由上式不难算出电感量, 取20%裕量, 最终选择0.3mH。若电感采用共轭绕法代替两个单独的电感, 则电感量可减半。电感2的峰值电流由蓄电池最大充电电流决定。对于本系统, 太阳能电池板功率为50W, 蓄电池为24V, 则最大充电电流可取3A。电感1的峰值电流由太阳能电池板的最大充电电流决定, 对于该规格峰值功率为50 W的太阳能电池板, 短路电流为3A, 方可选择3A为1的峰值电流。流过二极管的最大电流和2的峰值电流一致, 流过开关管的最大电流则和1的峰值电流一致。
接下来分别计算耦合电容C2、输出电容C3值。
其中△V2为耦合电容C2上的纹波电压, 取0.5V。f为充电电路的工作频率, △V3为输出电容C3的纹波电压, 取0.2V。将前面诸数据代入, 最终可以得出C2取20µF;C3取60µF。略加分析, 即可得出各主要器件所需最低耐压值。
3 最大功率跟踪 (MPPT) 控制策略
最大功率跟踪 (MPPT) 的方法有很多, 如开路电压控制法 (Open Voltage, OV) , 恒定电压控制法 (Constant Voltage, CV) , 扰动观测法 (Perturb and Observe, P&O) , 增量电导法 (Incremental Conductance, IC) , 模糊逻辑控制法 (Fuzzy Logic, FL) , 人工神经网络控制法 (Artificial Neutral Network, ANN) 以及这些方法的改进方法等等。
在这些方法中, 目前最常见的是扰动观测法 (P&O) 和增量电导法 (IC) , 而扰动观测法以其控制精度高, 实现成本低, 优势更强。
扰动观察法[1,8], 是一种基于实时控制的MPPT控制算法, 它通过对电路施加某一幅度的扰动, 改变太阳能光伏电池的工作状态, 同时观察并计算太阳能电池板实际输出功率大小。得到当前时刻值后, 将其与前一时间值进行比较, 通过对比结果确定下次扰动方向, 最终得出目标值, 从而使得太阳能电池板的工作输出最终稳定在最大功率点附近。
扰动观测法的实现原理为:K时刻以占空比DK工作, K+1和DK-1分别为K+1和K-1时刻的工作占空比;PK+1和PK-1分别为K+1和K-1时刻对应的太阳能电池输出功率;△D为扰动控制量;符号函数sign () 定义如下:
扰动观测法在进行最大功率点跟踪过程如图9所示, 整个算法进程共有以下三种状态。
通过算法后, 若系统当前处于状态A, 则下一时刻朝着D值增大的方向运行;若系统当前处于状态B, 则下一时刻朝着D值减小的方向运行;若系统当前处于状态C, 则K时刻对应的输出功率即为这条件下的最大功率点, D值即为目标值。系统经连续运行, 最终必然进入状态C, 从而完成本轮的算法控制。具体占空比值可由下式给出:
扰动控制量△D为系统中非常重要的参数, 为了加快系统寻优速度, 要求扰动控制量△D尽量大些。然而最大功率跟踪精度又要求扰动控制量△D要尽量小。这是一对矛盾关系, 为了实现相应的控制速度, 必定以损失控制精度为代价。
为了解决上述矛盾问题, 我们提出了极速扰动观测算法[1], 保证以最少能量损失最快速度完成最大功率跟踪控制的同时, 精度达到最高。极速扰动观测算法是吸收了二分寻优法这一快速寻优特点的扰动观测法。
设函数f (x) 在区间[D-△D, D+△D]中只有一个极大点, 在函数f (x) 极大点的左边上升, 右边下降.为寻找极大点, 可先用下法:
在区间[D-△D, D+△D]内取两点D-△D/2、D+△D/2,
计算f (D-△D/2) 、f (D) 和f (D+△D/2)
1) 若f (D)
2) 若f (D+△D/2) >f (D) , 则极大点必在[D, +△D/2]内;
3) 否则, 则极大点必在[D-△D/2, D+△D/2]内.
通过上述算法, 快速对△D进行二分, 每计算一次, △D便减半, 一旦△D小于某预定值, 上述算法便完成。而通过控制预定值, 便能达到我们想要的精度。进而使得极速扰动观测算法快速完成最大功率跟踪控制同时, 精度也达到最高。极速扰动观测算法程序流程图如图10所示。
4 实验结果
表1是实验中测得的带有MPPT功能的太阳能电池板对蓄电池充电功率与太阳能电池板接二极管对蓄电池充电功率的对比。
从表1可以看到, 带有MPPT功能的充电功率要明显比太阳能电池板直接串联二极管对蓄电池进行充电功率高, 而且太阳辐射能越大, 功率高得越多。在太阳辐射能很低时, 太阳能处于最大功率工作处的电压与蓄电池端电压加上二极管压降上的电压相近, 从而使得两种工作情况下的太阳能对蓄电池充电功率相近。
5 结论
提出一种MCU为控制器, 基于SPEIC电路, 以蓄电池为负载的MPPT系统。本系统主要用于太阳能离网式以蓄电池为储能环节的照明系统或发电系统。详细分析了智能太阳能最大功率跟踪系统的工作原理, 及电路系统设计和软件系统设计。以SPEIC电路为主电路, 即能升压也能降压, 使得系统对于不同规格蓄电池、不同规格太阳能电池板的应用场合均能自适应工作。同时, 针对常规MPPT扰动观测法寻优速度与控制精度相矛盾, 提出了极速扰动观测算法, 保证以最少能量损失最快速度完成最大功率跟踪控制同时, 精度达到最高。
摘要：随着社会的发展, 能源危机日趋严重, 太阳能的研究与应用也愈来愈受到世界各国的重视。然而太阳能电池特性是, 在温度和太阳能辐射等一致情况下, 其输出功率随着输出电压呈单峰曲线。采用最大功率跟踪 (MPPT) 能大幅提高功率输出, 实际对于太阳能应用, MPPT必不可少。提出MCU为控制器的嵌入式SPEIC电路系统, 实现最大功率跟踪。结果表明, 系统在各种辐射强度下均明显增加了输出功率。
关键词：太阳能,最大功率跟踪 (MPPT) ,充电,SPEIC,电路
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一种新型的太阳自动跟踪系统研究 篇7
在科学技术飞速发展的今天,主流能源——石油、天然气、煤炭被加速消耗。这些能源储量有限,不可再生,而且污染严重,分布也不均衡。因此,寻找一种可再生的,对环境无害的绿色能源是当今世界可持续发展的迫切需要。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的清洁能源,具有很大的开发潜能。但太阳能利用效率低这一问题始终阻碍着太阳能技术应用的普及。太阳跟踪为提高太阳能的接收效率提供了一种解决方法。所谓太阳跟踪,指的是在太阳照射过程中受光面跟太阳光线始终趋于垂直,以便在有效的使用面积内收集更多的太阳能。根据英国科研人员所做的实验,对于相同的平板,与太阳辐射方向垂直的表面和朝南固定的表面接收到的太阳辐射比值接近3∶1。理论分析表明,太阳跟踪与非跟踪,能量的接收率相差37.7%。因此精确的太阳跟踪可以使太阳能的接收效率大大提高,在光伏发电中是非常有必要的。太阳的自动跟踪分为三个大类:
1)时钟跟踪:较早的一种主动跟踪方式。根据太阳每分钟转过的角度计算出太阳能接收装置每分钟应该转过的角度,控制步进电机的转速使得太阳能电池板与光线趋于垂直。该种方式的优点是电路简单,缺点是有累积误差且浪费电能。如果采用双轴驱动跟踪,则俯仰角的确定涉及到正弦函数的计算,对使用单片机为控制核心的跟踪系统,这必然会增加反应时间,降低跟踪精度;而采用数据库查找的方式则必须有一个庞大的数据库,这也会增加系统反应时间,降低跟踪精度。
2)压力差式跟踪:1994年《太阳能》杂志介绍了单轴液压自动跟踪器[1]。其原理是利用两个密闭容器的受光面积不同,容器受热不同从而使容器内部的液体气化产生压力差,驱动接收装置转动。与液压差相似的跟踪方式还有重力差跟踪。压差式跟踪的优点是机械装置简单,不需要电子控制部分,不消耗电能,缺点是精度较低。
3)光电跟踪:由光电传感器件根据太阳的偏转产生一个反馈信号,经放大整理后输入到控制单元,由控制单元驱动步进电机转动来使接收装置对准太阳。这种方式的优点是反映灵敏,精度高。缺点是容易受环境尤其是气候条件的影响,如多云、阴天、雨雪等天气可能导致跟踪装置无法对准太阳甚至出现误动作。
根据以上分析,决定采用时钟跟踪与光电跟踪相结合的混合跟踪方式。与以往的两种跟踪方法相互切换不同,本系统采用同时使用两种跟踪方法来完成一次跟踪动作的跟踪方式。
1 原 理
方位角的跟踪采用时钟跟踪方式。地球每昼夜绕地轴自转一周,既每小时转动15°,每分钟转动0.25°。地球自转的同时围绕太阳公转,因此太阳相对于地球上某一定点每小时转过15°,每分钟转过0.25°。如果选择每分钟转动一次,虽然可以精确跟踪太阳,但频繁转动消耗电能。如果选择每小时转动一次,接收器又因长时间未能正对太阳而达不到多接收太阳能的效果。本系统采用的是每10分钟转动2.5°的方法。方位角采用时钟跟踪方式可以使系统在太阳被长时间遮挡的情况下正常转动,在太阳重新出现后利用光电跟踪使接收器完全正对太阳。克服了光电跟踪因多云、雨雪等气象原因出现失步甚至误动作的缺点。
俯仰角采用光电跟踪方式。光电跟踪的传感器件选用中国电子科技集团公司第四十四所生产的Si PIN 四象限光电探测器 GT111,该器件是反向偏置的半导体二极管阵列,由于器件是象限化的,因此当光照射到器件各个象限的辐射通量相等时,则各个象限输出的光电流相等。而当太阳发生偏移时,由于象限间辐射通量的变化,引起各个象限的输出光电流的变化。该探测器具有低暗电流、高均匀性、高对称性、高可靠性、盲区小等优良特点。
当光成像于四象限光电探测器的光敏面上时,形成一个有一定尺寸的光斑,如图1所示,光斑在四个象限分成A、B、C、D 四个部分,其面积分别为S1、S2、S3、S4,对应的四个象限产生的阻抗电流为 i1、i2、i3、i4,光斑中心相对于探测器中心在 x 和 y 方向的偏移量分别为Δx和Δy,当圆形光斑中心与四象限中心重合,即Δx=Δy,这时四个象限的光斑面积相同,输出光电流相同。四象限光电探测器光电转换电流较小,一般只有几个纳安,需要将其放大并转换为电压V1、V2、V3、V4,用来表示偏移量Vx和Vy[2]。表示方法如式(1):
为了消除光斑自身功率变化对Vx,Vy的影响,通常要除以V,其中:
四象限探测器的输出电流信号很微弱,该电流先要通过前置的探测电路转换为电压信号并放大,再通过两个求和电路实现相关信号的求和放大,再经一个减法器完成竖直方向误差信号的输出。因系统采用时钟跟踪与光电跟踪相结合的方式,只需要竖直方向的差值信号即可。电路原理框图如图2所示。
2 系统硬件设计
2.1 控制系统
控制电路主要由ATmega16单片机、时钟芯片DS1302、步进电机驱动、步进电机、时间显示部分组成,系统的硬件框图如图3所示。
以ATmega16为核心来控制整个系统。DS1302时钟芯片向系统提供实时时间,该时间用作时钟跟踪的标准时间,开启了涓流充电功能之后,它能够在整个系统断电的情况下正常运转,系统重新上电后只需要重新读取时间即可。液晶显示模块LCD1602用来显示当前时间。四象限光电探测器产生的电流经I/V变换后再放大求和得到Vy和V,对两者进行A/D转换。其中A/D转换装置采用单片机自带的A/D转换电路,精度可以高达10位。转换结果作为判定依据与设定的门限值进行比较,决定系统的俯仰角是否转动。步进电机选用丰源微特步进电机。步进电机驱动采用ULN2803芯片,它内部集成了八个达林顿管,可提供500 mA的输出电流和最高达50 V的输出电压。
2.2 机械传动系统
跟踪器结构如图4所示。步进电机1固定在底座里面,小齿轮1与步进电机1固定连接,大齿轮2与主轴1固定连接,主轴1相对底座可以自由转动,支撑轴承选用带法兰边的轴承,支架与主轴1固定连接,步进电机固定在支架上面,接收器与主轴2固定连接。
跟踪器实现自动跟踪的原理:当系统处于工作状态时,控制单元发出控制信号驱动步进电机1带动齿轮1转动,小齿轮1自转的同时带动大齿轮2转动。由于大齿轮和主轴1固定连接,而主轴1和支架固定连接,因此主轴和支架转过与大齿轮相同的角度。步进电机2固定在支架上面,当方位角转动完成后,光电传感单元反馈给控制单元一个位置信号,控制单元再发出控制信号驱动步进电机2带动主轴2转动。由于主轴2和接收器固定连接,接收器转过相应角度。本系统结构简单,制造成本低。光电传感单元可以放在接收器的下面,步进电机1和控制单元可以放在底座里面,受到了较好的保护,提高了装置的使用寿命。
3 程 序
系统控制核心选用Atmel公司的ATmega16单片机,它是一款高性能低功耗的微处理器,具有4通道PWM接口和8路10位ADC,满足设计需要。系统程序流程图如图5所示。
1)系统时钟采用DS1302实时时钟芯片,它具有闰年自动调整和涓流充电功能,在系统掉电后通过时钟备用电源继续运行,掉电不掉时。主程序运行时钟充电子程序即可实现DS1302掉电不掉时的功能。
2)如果系统处于工作时间内,则启动时钟跟踪,既每10分钟自东向西转过2.5°。时钟跟踪动作完成后对四象限探测器的输出Vy和V进行A/D转换,在满足精度要求的情况下只取转换结果的高8位,舍掉后两位。再将两者的转换结果相除,所得结果大于等于门限则启动光电跟踪,小于门限值则启动最小转动程序。
3)在太阳被长时间遮挡或者雨雪天气的情况下,A/D转换的结果很可能小于门限值,此时应启动最小转动程序。该程序首先判断当前的时间所属的季节,然后选取该季节中有代表性一天的太阳高度角。有如下计算公式:
式中n为接收器所在地的纬度,δ为当天的赤纬角。δ的计算公式如下:
式(4)中d为由春分算起的第d天,式(5)中m为一年当中的日期序号。将计算所得的高度角36等分,所得结果即为最小转动每次转过的角度。一天中上午与下午的最小转动大小相同,方向相反。对应春夏秋冬四季,分别选取春分、夏至、秋分、冬至四天来计算上述高度角。
4)如果时间处于19:00～19:01之间,方位角自西向东转180°,使接收器朝向正东,接收器回初始位置之后不断的读取时间但是不再动作,直至第二天早上七点开始自动跟踪。
4 定位精度测试
对系统的重复性精度进行测试,将一只点亮的激光笔固定在轴2上,在距离固定点E为d的位置放置一块白板,保持白板所在平面与轴1的轴心线平行。驱动步进电机1转过a角度,以激光打在白板上的点为中心点A,再驱动电机向相反方向转过a角度,得到中心点B。保持三角形ABE为一等腰三角形,即AE与BE等长。重复上述动作20次,在A与B的周围各得到20个点,测量这40个点到AB垂直平分线的距离,将测得数据与已知距离d做反正切计算,可得角AEB的大小。驱动步进电机2转动,确定两个中心点C与D,同样方法,可得角CED的大小。实验布局示意图如图6所示。根据实验所得角度如表1所示。
步进电机1和2理论上转过7.5°,根据A,B点周围的数据可计算步进电机1正向与反向转动的平均值:
利用表1数据还可以计算步进电机1正向与反向转动角度的方差:
同理可计算步进电机2的相应数据:
由以上计算结果可知,平均值最大相差0.020 8°,远小于步进电机的固有误差,说明步进电机1和2都具有很好的正转与反转精度;最大方差小于0.08,说明两个步进电机都具有良好的转动稳定性。
5 定位误差造成的接收损耗测试
为了测定系统定位误差造成的光电流损失,进行如下实验:将系统设置在无任何阴影遮盖的实验场,按照公式(3)和公式(4)计算并设置系统的俯仰角,步进电机1自正南向正西方向转动90°,每5°为一步,记录输出光电流。实验时间为2010年3月26日13点,实验地点为重庆大学A区六公寓楼顶,实验中天气晴朗。将实验所得数据利用MATLAB软件进行拟合,如图7所示。
拟合曲线方程:
根据该曲线方程计算系统定位误差(含步进电机7%的转动误差和系统误差)造成的光电流损失:
令
可以得到:
将得到的结果做如下计算(因本系统为双轴跟踪,做平方计算):
实验表明,本系统结构简单,传动装置刚度高,转动精度高且稳定性好,太阳能接收损耗很小,制造成本低,光电传感单元和控制单元都受到了较好的保护,系统不易受天气干扰,不存在跟踪失步甚至误跟踪的情况,可长期稳定运行。
摘要：为了最大限度的利用太阳能,采用自动跟踪太阳的方式以获得更多的能量。简要介绍了现有的几种主要跟踪方式,光电探测器跟踪方式容易受天气条件干扰,时钟跟踪方式有累积误差或者因数据库庞大导致反应变慢等缺点。提出了一种时钟跟踪与光电探测器跟踪相结合的双轴跟踪方式,方位角采用时钟跟踪,俯仰角采用四象限光电探测器跟踪,控制核心选用ATmega16单片机。该跟踪方式结合这两种跟踪方式的优点,很好地克服了两者的缺点。实验表明,本系统转动精度高,工作稳定性好,太阳能接收损失小。
关键词：太阳跟踪,时钟跟踪,四象限光电探测器,ATmega16
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