DSP太阳能（精选3篇）
DSP太阳能 篇1
0 引言
人们生活水平的日益提高使得能源需求巨大, 世界各国都在积极开发和利用新型能源。太阳能作为最主要的可再生能源, 蕴藏量巨大, 是新能源开发和利用中的焦点。太阳能的收集受地理纬度、海拔高度、季节气候等诸多因素的影响, 致使其收集效率不高。在太阳能的采集中, 可以根据太阳和地球的运动规律, 设计一种能够自动跟踪太阳光线的系统, 实现太阳能利用效率的提高。
1 太阳自动跟踪系统方案
1.1 追踪装置的选择
对太阳自动跟踪的装置主要有单轴和双轴两种。单轴装置只有一个转轴可以转动, 只能完成东西方向或南北方向的跟踪。单轴装置在跟踪中不能保证一直正对太阳, 对太阳能的收集效率有限。双轴装置在太阳的跟踪中能够从南北方向和东西方向同时对阳光进行跟踪, 跟踪的精度较高, 太阳能收集效果好。双轴装置按照转轴的结构不同还可以分为高度角-方位角跟踪装置和极轴式跟踪装置, 由于极轴式跟踪装置对支架的要求较高, 使用较为广泛的是高度角-方位角跟踪装置。
1.2 控制方式的选择
太阳的跟踪方式主要有光电跟踪、太阳运动轨迹跟踪和光电跟踪与运动轨迹跟踪。光电跟踪方式具有结构简单、闭环结构、随时跟踪太阳运动的优点, 但当阴雨天气, 阳光强度减弱时会无法追踪;太阳运动轨迹追踪是对提前计算好的太阳运动轨迹跟踪, 容易实现, 但系统为开环系统, 容易受到干扰和生成误差。
跟踪系统中将两种方式相结合, 用光电跟踪消除运动轨迹跟踪中产生的误差, 用运动轨迹跟踪克服天气对跟踪系统的影响。两种方法相弥补, 实现对太阳高精度、高效率的跟踪。
1.3 系统基本构成
自动跟踪系统组成如图1所示。太阳自动跟踪系统采用TI公司的TMS320F2812作为主控芯片, 光电传感器为系统提供光照强度信号, 由DSP判断是否满足发电条件。如果时间和光照满足要求, 则按照光电跟踪结合太阳运动轨迹的方式驱动步进电机运动追踪太阳。如果系统工作中遇到阴雨天气, 光照强度较低, DSP可以根据GPS提供的地理和天文数据按照设定程序计算出太阳轨迹, 按照计算好的轨迹进行跟踪。系统的液晶屏和键盘可以实现系统的初始位置调整、转轴的正反转控制、角度等参数的显示等。
2 跟踪系统的硬件设计
2.1 光电传感器
光电传感器检测的灵敏性和精确性决定了系统的跟踪精度, 系统中采用了精度较好的四象限光筒式光电传感器, 如图2所示。
2.2 光电信号采集处理电路
信号的计算和处理电路如图3所示。在信号采集电路中传感器的4个阳极 (A、B、C、D) 分别与运放A1 (LM324) 的反相端连接, 公共阴极同电源连接。经过A1可以完成I/V转换, 生成电压信号, 信号通过下一级运放A2可以进行反相处理, 将负值信号转换为正值, 供DSP的A/D转换使用。
2.3 GPS模块
GPS模块的采用可以为系统提供精确的天文地理和时间参数, 保证太阳跟踪系统的准确度。当光线减弱或阴雨天气时, 系统会自动进入太阳运动轨迹跟踪方式运行, DSP根据GPS提供的参数, 通过预制程序计算出太阳的理论精确位置, 调整系统转轴跟踪太阳。
GPS模块可以同时接受4颗以上的地球同步卫星的数据传送, 并按每秒一帧的方式将纬度和时间输出, 用以数据计算使用。GPS模块一般采用异步串行通信方式, TMS320F2812的两个异步通信串行口级别较低, 为保证数据传送的实时性, 采用TL16C752实现终端接收。GPS是RS232接口, TL16C752扩展的串口是UART接口, 故可加入MAX3232完成由UART到RS232的电平转换。DSP与GPS接口电路如图4所示。
2.4 步进机构
在系统的转轴控制中, 拖动的电机使用步进电机。步进电机是数字控制系统中的一种执行设备, 将控制器传送的数字信号转换为角位移或直线位移。DSP控制器不能直接输出驱动电机的电压信号, 需要通过驱动电路将步进电机和DSP连接起来。
驱动电路的典型差动方式如图5所示。
跟踪系统采用编码器检测步进电机的运行位置, 通过比较步进电机的位移量和给定值, 消除两者的偏差。系统选用GMS412RE10PB型绝对编码器, 能够使跟踪的精度达到0.1°。
2.5 其它模块
2.5.1 液晶显示模块
系统采用LCD12864为显示面板, 同步显示跟踪过程参数, 如高度角、方位角、时间、经纬度等;还可检测系统运动状态与结果是否一样, 用来校正系统运行状态。
2.5.2 手动控制模块
系统设置独立键盘, 实现跟踪系统的手动调节:
(1) 用键盘实现电池板方位角和高度角的调节, 压下键盘, 电池板转动到预定位置时, 松开按键即可。
(2) 用键盘输入预定位置的参数, 确定后DSP控制系统转动到所需位置;还可以实现高度角和方位角电机的正反转控制。
键盘原理如图6所示。
2.5.3 风速计
光伏电池板面积较大, 在户外工作时会受到户外大风的影响, 为此, 在系统中安装风速仪, 当户外风速大于系统的安全要求时, 可以使系统的电池板旋转, 降低电池板的受风面积, 使电池板位于安全的仰角。
3 系统软件设计
主程序流程如图7所示。自动跟踪系统开机后, 进过数据初始化, 判断GPS工作准备是否正常, 天文数据是否有效, 如果正常, DSP提取时间参数, 以GPS提供的参数完成系统的初始化;根据光电传感器的信号判断晴天还是阴雨天, 晴天时系统按照光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪结合的模式运行, 阴雨天气时系统按照GPS数据跟踪太阳运动轨迹运行;系统中GPS的数据每隔一定的时间发送至DSP。
4 实验观察数据
为了检验太阳自动跟踪装置的收集效率, 在屋顶固定朝向的太阳能光伏装置旁边, 构建了双轴方式的太阳自动跟踪装置。两台光伏发电装置均在空旷楼顶, 没有遮挡, 选择在早晨7点至下午18点之间的晴朗天气下进行测试, 数据变化曲线如图8所示。
可以看到曲线基本反映出兰州当地的太阳辐射规律, 与气象记录数据基本一致。数据中太阳自动跟踪装置的收集效率高于固定光伏发电装置, 与设计的初期构想一致。
5 结语
在实际的使用中, 还应当提高太阳运算轨迹计算的精度和保证跟踪装置的初始安装精度。
摘要：介绍基于DSP的太阳能自动跟踪系统的设计。跟踪系统中以DSP为主控芯片, 利用光电传感器和GPS模块采集信息和数据, 采用光电跟踪与太阳运动轨迹跟踪相结合的方式, 实现太阳位置的自动跟踪。
关键词：太阳跟踪,数字信号处理器,光电传感器,步进电机
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DSP太阳能 篇2
关键词：DSP太阳能,光伏并网系统,应用
根据DSP太阳能光伏并网系统的实际应用情况来看, DSP的芯片使用的是TMS32028035, 前级升压使用的是反激变压器, 后级采用的是DC/AC逆变器, 在充分利用DSP丰富的外围电路、各种功能的基础上, 并网系统的控制、保护等操作可以得到有效完成, 对于推动光伏并网发电系统广泛应用有着重要影响。
1 光伏发电并网系统的相关分析
目前, 光伏发电有着无噪音、无污染、可再生等多种特点, 已经成为供电系统未来发展的重点研究对象之一, 其中, 并网系统是一种光伏发电系统, 可以大大降低供电投资, 对于优化维护流程有着极大作用。根据光伏并网系统的组成结构来看, 其主要是采用DC link来进行连接的, 电压幅值一般不低于315 伏, 在结合电网电压、高频SPWM电压表波、线路等效电阻、串联电抗器、电流等的情况, 可以有效完成光伏发电的整个流程。在送人电网功率因数是1 的情况下, 送入电网的电流相位、电网电压相位两者必须保持一致性, 即在将电网电压作为参考的基础上, 确保线路等效电阻两端的电压和电网电压相位是一样。
2 DSP太阳能光伏并网系统的应用
2.1 DSP太阳能光伏并网系统的主要特点
随着太阳能的相关研究的不断深入, 高性能DSP光伏并网发电系统的不断推广和应用, 在一定程度有利于推动电力系统的全数字化发展, 以在全面实现自动化控制和运行的情况下, 降低工作人员的工作、提高整个系统的工作效率与稳定性等。总的来说, DSP太阳能光伏并网系统具备的特点主要有如下几个方面:
2.1.1 可靠性非常高
通过合理运用DSP, 可以使控制、保护等多种运算法更加有效, 并且, 各种元器件的数量也相应得到减少, 最终避免故障问题经常出现。
2.1.2 降低污染
通过合理运用DSP, 并网逆变器输出的正弦波电流比较稳定, 质量有所提高, 没有直流分量, 从而降低输出电流中的高次谐波给电网带来的污染, 对于实现并网的自动同步、提高功率因数等有着重要影响。
2.1.3 工作效率很高
DSP的芯片使用的是TMS32028035, 前级升压使用的是反激变压器, 后级采用的是DC/AC逆变器, 可以有效降低开关损耗、开关降低, 最终促进逆变效率不断提高。
2.1.4 提高发电质量
采用MPPT控制技术, 可以确保光伏并网系统有效跟踪光伏阵列的最大功率点, 从而掌握太阳能光伏发电的所有情况。由于太阳能电池的输出公路与温度、日照、负载等都有直接联系, 因此, 输出有着非线性特性, 在科学运用DSP的情况下, 并网逆变器的自动调节功能可以确保光伏阵列时刻处于最佳工作状态, 对于提高光伏发电的质量有着极大影响。
2.1.5 降低断电带来的危害
反“孤岛”控制的充分利用, 在电网停电进行检修时可以立即停止发电, 从而降低断电给电网设备带来的危害, 对于保障检修人员的生命安全有着极大作用。
2.2 DSP太阳能光伏并网系统的实际应用
目前, 比较常用的DSP太阳能光伏并网系统主要有两种:屋顶并网发电系统和沙漠电站系统, 其中, 沙漠电站一般是在无人居住的沙漠开辟和建设规模较大的并网光伏发电系统, 如10MWp和几个GWp的发电站, 并且, 建设周期很长、投资很高, 需要的控制设备、配电设备的复杂程度较强, 必须占据较大面积的土地, 从而发展速度非常缓慢。与其相比, 屋顶并网发电系统的要求要低很多, 不需要较多资金投入和占用面积, 其规模通常在几个KWp和几个MWp之间, 从而成为太阳能光伏并网发电的主要应用类型。根据近几年太阳能光伏产业的发展情况和相关数据来看, 2010年全世界范围内光伏发电并网桩基容量已经超过15GW, 其中, 我国并网光伏发电安装量已经达到光伏发电的20% 左右, 最终成为未来几十年内电力系统不断发展的重要方向之一。
3 结语
综上所述, 在新能源研发力度和投入力度不断加大的情况下, 太阳能光伏发电已经成为环节全世界能源需求的重要途径之一, 不仅有利于降低环境污染, 还能促进人类、自然、经济可持续发展。因此, 注重DSP太阳能光伏并网系统的充分应用, 对于推动光伏并网发电系统不断发展有着重要影响, 是我国市场经济快速发展的重要支持之一。
参考文献
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DSP太阳能 篇3
太阳能发电系统是一种新型的能源系统, 在其研发与推广过程中, 如何提高发电效率始终是一个有待解决的难点。众所周知, 太阳运动轨迹是随着日照时间和季节的变化而变化的, 即太阳相对于光伏阵列的位置总是在变化。因此, 在太阳能发电过程中, 客观上需要采用太阳方位跟踪系统, 以确保光伏阵列始终能与太阳保持一个最佳的角度和位置, 提高太阳辐射能量的采集率, 最终提高整体发电效率。
基于以上原因, 本研究提出并设计一种基于DSP的新型太阳方位跟踪系统。
1 控制系统工作原理
根据控制光伏阵列采光面角度变化的驱动方式, 太阳方位跟踪系统可分为手动跟踪系统和自动跟踪系统[1]。手动跟踪系统的精度较低, 效果较差。自动跟踪系统采用光敏元件或程序控制与动力驱动装置相结合, 促使光伏阵列采光面能在无人值守的条件下, 自动跟随太阳位置而变化。自动跟踪系统如图1所示。
在图1中, 自动跟踪系统是包括各种电子电路、电力电子控制系统和微机的程控系统等在内的闭环控制系统。其控制原理为[2]:由光敏元件将太阳和光伏阵列之间的位置偏差信号和光强信号反馈给控制电路, 并经过数据处理和放大, 触发相关的开关电路, 使得电动机带动机械传动机构, 推动修正光伏阵列的位置和角度, 从而实现跟踪太阳的目的。
笔者设计的太阳方位跟踪系统是一种全新的自动跟踪系统。该系统选用光伏电池作为光敏元件, 除了具有一般自动跟踪系统的优点外, 还可避免由于多块光敏元件的不一致性带来的问题, 提高了跟踪系统的精确性, 降低了光伏发电系统的发电成本。具体工作原理如图2所示[3] (天球坐标系) 。
假设该块光伏电池在电动机的驱动下围绕Z轴逆时针旋转, 则在改变光伏电池旋转角γ的同时, 光伏电池的短路电流I也会发生变化。测量出光伏电池在不同γ角度时的短路电流I, 并寻求两者之间的关系, 可得出:光伏电池短路电流I与光伏电池的旋转角γ之间是按正弦规律变化, 且初相位反映了太阳光线的方位角α。
同理, 另外一块光伏电池绕X轴旋转, 通过此时短路电流I的初相位确定太阳的高度角β。第三块光伏电池绕Y轴旋转, 专门用以解决当太阳方位角α=0 (或者π) 时, 太阳高度角β的求解问题。通过一块光伏电池测量太阳方位的一个参数, 避免了由于多块光伏电池的不一致性可能带来的问题。此外, 该方法直接采用离散傅里叶变换 (DFT) 求解短路电流I的初相位[4], 使得到的结果更加精确。
值得注意的是, 为了尽可能节省驱动能量, 应选择耗电量少的小型电动机来驱动光伏电池, 并要求自动跟踪系统除了能跟踪太阳外, 还能够通过光伏电池根据光强高低的变化控制电动机间歇工作[5]。即在光强达到可利用的强度时才开始跟踪太阳, 光强小于该强度时停止跟踪太阳。
2 电路原理与实现
2.1 电路原理框图
电路原理框图如图3所示。该控制系统是以FREESCALE公司的数字信号处理器MC56F8037[6]作为核心处理器, 实现对太阳方位的显示以及自动跟踪。该系统除了一些基本的功能, 还添加了3路行程开关分别控制3个小型电机的运行, 减少因电机的无谓转动而带来的电源损耗以及机械磨损。
2.2 开关电源
在本跟踪系统中, MC56F8037需要3.3 V电压驱动, 电动机需要12 V电压驱动, LM358需要±12 V电压, 而LED的驱动芯片需要5 V的电压。因此, 在开关电源设计中, 本研究采用DPA424作为主控芯片[7], 采用太阳能电池组输出的48 V直流电作为该跟踪系统电源模块的输入, 经过DC—DC变换后输出±12 V电压, 再分别用LM7805和AS1117产生5 V和3.3 V电压。
2.3 光强检测
由于在日照强度较低的情况下, 光伏电池JP1的开路电压呈对数下降趋势, 而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系。因此, 检测连续变化的光照强度时, 应当尽量减小负载电阻, 使光伏电池在接近短路的状态工作, 也就是把光伏电池作为电流源来使用[8,9]。光强检测电路如图4所示。
在该模块中, 运放UA和R4组成的是电流-电压转换电路。光伏电池所产生的电流I, 在经过该块电路后, 转换成电压U1, 再经过由运放UB和R2、R3组成的放大电路, 以及RC滤波电路, 即可输入给MC56F8037。
其中:
U1=I×R104 (1)
2.4 行程开关
行程开关电路如图5所示。
在本设计中, 3路行程开关是用来控制小型电动机的运行范围, 减少因电动机的无谓转动而带来的电源损耗以及机械磨损, 其基本工作原理如图5所示。在驱动光伏电池的小型电动机旋转过程中, 行程开关S801始终保持断开状态, U1处采集到的是高电压+5 V, 经过反相器SN7404, 输出低电压给MC56F8037;当电动机旋转一周结束后, 触动行程开关, S801导通, R804和S801形成回路, U1处采集到的是低电压0 V, 经过反相器SN7404, 输出高电压给MC56F8037。通过该模块, 可以检测到小型电动机是否旋转一周结束, 进而控制小型电动机的工作状态, 避免因小型电动机的无谓转动而带来的电源损耗以及机械磨损。
同时, 根据检测到的结果, MC56F8037控制发光二极管熄灭或导通, 更加直观地显示小型电动机是否正常工作。
3 软件设计
本研究中程序流程图如图6所示。
初始化程序包括看门狗 (WDT) 初始化、振荡器初始化, I/O口的初始化、定时器的初始化等;其阈值指的是太阳方位与光伏阵列的中轴的角度差, 其设定是为了让计算出的太阳方位有一个比较值。
初始化程序后, 跟踪系统就可以正常运行。小型电动机驱动光伏电池旋转, 检测短路电流, 计算出太阳的方位, 并和阈值比较, 来确定发电系统是否需要进行方位校正。在小型电动机旋转一周后, 接触行程开关, 定时器开始计时。每隔20 min进行一次太阳方位检测与校正, 这样既可以保持较高的发电效率, 又可以避免因小型电机的无谓转动而带来的电源损耗以及机械磨损。
4 结束语
为了提高太阳方位跟踪精度, 降低光伏发电成本, 通过对控制系统的比较, 本研究认为太阳方位跟踪系统更适合采用自动跟踪, 并提出了在自动跟踪系统中采用新的太阳方位检测和跟踪技术测量太阳方位。基于该技术的太阳方位跟踪系统精确度高、结构简单、价格低廉, 具有很强的实用性, 有望在太阳能光伏发电工程中得到实际应用, 对改善和推广利用太阳能光伏发电将起到积极地的推动作用。
摘要：为了提高太阳方位跟踪精度, 降低光伏发电系统的成本, 利用光伏电池旋转产生的短路电流是交变电流的这一特点, 通过离散傅里叶变换 (DFT) 求解交变电流的初相位, 计算太阳的高度角和方位角, 实现了对太阳方位的自动跟踪。并依此方法设计出了一套基于数字信号处理器 (DSP) 的新型太阳方位跟踪系统。实验结果表明, 该系统能实现太阳光大范围内检测, 并迅速跟踪, 可避免多块光敏元件的不一致性所带来的问题, 有效地提高了跟踪系统的精确性, 可望在太阳能光伏发电工程中得到应用。
关键词：太阳方位,自动跟踪,光伏电池,行程开关,相位检测
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