周培濤,李成貴

(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100191)

引 言

太陽能是一種無污染、無噪聲、無公害的可再生能源,目前開發(fā)利用太陽能的方式很多,光伏發(fā)電是其中一種主要的利用方式。所謂光伏,是以太陽能電池為媒介,將太陽光直接轉(zhuǎn)化為電能的過程[1-2]。我國目前采用的光伏發(fā)電電池以普通單晶硅多晶硅為主,轉(zhuǎn)換效率較低;聚光電池轉(zhuǎn)換效率較高,但需要跟蹤精度較高的太陽跟蹤器,時時刻刻跟蹤太陽,使太陽光線與集光板垂直,利用圖1所示的菲涅耳透鏡使光線匯聚在聚光器的聚光電池上,提高能量密度,從而提高發(fā)電效率。

圖1 菲涅耳透鏡聚光示意圖

1 太陽跟蹤器跟蹤原理

目前國內(nèi)外的太陽跟蹤器按跟蹤原理分為:傳感器檢測的主動跟蹤原理和太陽位置計算的被動跟蹤原理[1-3]。本文將兩種原理相結(jié)合設(shè)計了基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812的太陽跟蹤控制器[3-4]。

1.1 傳感器檢測的原理

利用硅光電池的光電效應(yīng),在太陽能集光板上高度和方位方向各放置兩個長方形的硅光電池板,陽光通過通光筒照射在硅光電池板上,如圖2所示。

高度方向硅光電池被分為A、B兩個區(qū)域,方位方向硅光電池被分為C、D兩個區(qū)域。通過電壓比較電路可分別計算出它們之間的電壓差:

其中,UA、UB、UC、UD為A、B、C、D各點的電壓,K為標定系數(shù),由此可在一定范圍內(nèi)檢測角度偏差,從而確定運動方向和角度變化大小。

圖2 硅光電池傳感器檢測原理示意圖

1.2 太陽位置計算的原理

太陽在天球上的位置可由太陽高度角和太陽方位角來確定。地球上觀測點同太陽中心連線與地平面的夾角,稱為太陽高度角;地球上觀測點同太陽中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角,稱為太陽方位角[1-2]。太陽運行軌跡與太陽高度角α、方位角γ的關(guān)系如圖3所示。

要計算α和γ,可以采用以下計算方法[1-2]:

圖3 太陽運行軌跡與太陽高度角、方位角示意圖

δ為太陽赤位角,ω為太陽時角,φ為當?shù)氐木暥?。對于δ和ω這兩個參數(shù)的精確計算要滿足高精度跟蹤的需求,并根據(jù)實際情況來不斷修正;同時,還需要結(jié)合傳感器檢測的原理加以修正。采用TMS320F2812做主處理器,根據(jù)硬件時鐘提供的日歷時間計算出太陽的高度角和方位角,進而控制電機轉(zhuǎn)動方向和角度,由傳動機構(gòu)帶動支架轉(zhuǎn)動精確地跟蹤太陽。

2 跟蹤器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)上述工作原理,本設(shè)計以太陽位置計算的方法為主要跟蹤方式,采用硅光電池傳感器進行角度偏差反饋,設(shè)計了高精度太陽跟蹤器。

2.1 主要控制電路硬件設(shè)計

硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。選用TI公司32位定點數(shù)字信號處理器TMS320F2812和Altera公司的CPLD EPM 3256為主協(xié)處理器[3-4]。由DSP完成計算與控制算法,并產(chǎn)生用于步進電機控制的SPWM波;輸入/輸出接口采用光電隔離;驅(qū)動器電路選擇IPM模塊,可以達到功率驅(qū)動的目的,進而驅(qū)動高度和方位步進電機運轉(zhuǎn)[1-2]。CPLD實現(xiàn)實時顯示、掃描鍵盤、接收擴展中斷等功能。二者通過DSP的外部接口(XINTF)進行通信。采用光電開關(guān)和限位開關(guān)分別實現(xiàn)定位、限位功能,提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用LCD顯示和5×5矩陣鍵盤,方便進行人機交互的臨時調(diào)整操作。

圖4 硬件結(jié)構(gòu)框圖

首先利用光電定位開關(guān)和硅光電池傳感器進行初始對準,通過TMS320F2812的SPI總線設(shè)置硬件時鐘RTC初值后,利用硬件時鐘實時讀取時間并計算太陽高度、方位角。在設(shè)定的工作時間內(nèi),依據(jù)計算的太陽高度、方位角選擇合適的運行時間和運行速度,計算步進電機應(yīng)該轉(zhuǎn)的步數(shù)和控制板應(yīng)該發(fā)的脈沖數(shù)。由EV事件管理器產(chǎn)生SPWM波,經(jīng)IPM功率驅(qū)動后,驅(qū)動高度和方位方向步進電機轉(zhuǎn)動,經(jīng)機械傳動帶動太陽能集光器支架轉(zhuǎn)動適當角度,實現(xiàn)自動跟蹤。每天工作完以后自動返回歸位,若出現(xiàn)較大位置偏差,可以由光電開關(guān)和硅光電池傳感器進行修正。修正完畢重新進入自動跟蹤,工作完成后自動返回。

2.2 主要控制軟件設(shè)計

系統(tǒng)在正常工作時,每天從定位開關(guān)處開始自動運行,晚上返回定位開關(guān)處。啟動和返回時間由太陽高度決定。在完成一周期(即一天)的跟蹤后由時鐘電路的定時中斷信號進入休眠狀態(tài),或定時由繼電器關(guān)閉總電源,減小系統(tǒng)功耗,待次日由定時中斷信號或值班電路給出信號喚醒處理器進入下一周期工作。控制軟件程序流程如圖5所示。

圖5 控制軟件程序流程

3 實際效果與誤差分析

將設(shè)計的太陽跟蹤器應(yīng)用在太陽能發(fā)電中。從2010年4月某天早上8:00工作至下午17:00,典型誤差測量結(jié)果如圖6所示。由于機械結(jié)構(gòu)和傳動機構(gòu)等的誤差,以及外界不確定環(huán)境(如大風(fēng)等)的影響,跟蹤角度存在無規(guī)律性誤差,但總體來說誤差可以控制在±0.05°之內(nèi)。

圖6 太陽跟蹤角度誤差測量結(jié)果

實踐運行情況表明,太陽跟蹤器實現(xiàn)了高精度跟蹤,年平均發(fā)電量比固定式高了20%～40%,比普通單軸式高出約25%。可見,該設(shè)計方案能夠使光伏發(fā)電效率大大提高。

結(jié) 語

本文對光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽跟蹤器的跟蹤原理進行了研究,闡述了基于TMS320F2812的太陽跟蹤器的軟硬件設(shè)計方法。采用該設(shè)計方案后,跟蹤精度高,成本相對較低,便于操作,性能穩(wěn)定可靠,大大提高了光伏發(fā)電效率,具有較高的實用價值。

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