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        太陽(yáng)能最大功率機(jī)械跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

        2014-03-16 09:26:28常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院段志國(guó)王利豪范存海
        電子世界 2014年9期
        關(guān)鍵詞:光敏電阻云臺(tái)上位

        常熟理工學(xué)院電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院 段志國(guó) 王利豪 范存海 呂 庭

        1.引言

        我國(guó)電力產(chǎn)業(yè)中,發(fā)電能源多以煤炭為主,面對(duì)全球能源危機(jī)以及新世紀(jì)節(jié)能環(huán)保,低碳經(jīng)濟(jì)的需求,清潔能源的開發(fā)與運(yùn)用日益受到重視。太陽(yáng)能作為一種環(huán)保、安全、分布廣泛、永不枯竭的公共資源,有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)并受到廣大開發(fā)者的關(guān)注[1]。據(jù)測(cè)算,每秒抵達(dá)地球表面的太陽(yáng)輻射能量高達(dá)8.0×1013kW,相當(dāng)于550萬(wàn)噸標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒產(chǎn)生的能量。我國(guó)的太陽(yáng)能資源十分豐富,全國(guó)有2/3以上的地區(qū)年日時(shí)數(shù)在2000h以上。雖然太陽(yáng)能總量很大,但由于能流密度較低,到達(dá)地面的太陽(yáng)能每平方米只有1000W左右[2]。

        現(xiàn)有太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能板多為固定安裝,而由于地球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn),太陽(yáng)的入射角度時(shí)刻都在變化,對(duì)于某一個(gè)固定地點(diǎn)的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng),只有有效保證太陽(yáng)能光伏電池時(shí)刻正對(duì)太陽(yáng),發(fā)電效率才會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)[3]。為了實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡,采用光電式太陽(yáng)能雙軸跟蹤系統(tǒng),最終在方位角和高度角2個(gè)方向?qū)崿F(xiàn)精確跟蹤。

        2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)原理

        系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示,下半部以鐵架作為系統(tǒng)支撐,上半部為安裝有太陽(yáng)能光伏板的運(yùn)動(dòng)云臺(tái),該云臺(tái)可在0~180°范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)2個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)。光電傳感模塊必須與光伏電池平行安裝,以保證跟蹤太陽(yáng)光源的精度。

        圖1 系統(tǒng)總框架結(jié)構(gòu)

        圖2 系統(tǒng)控制原理

        圖2為控制部分的實(shí)現(xiàn)原理,以STC12C5A60S2型單片機(jī)為控制核心,利用光電傳感模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)東西南北四個(gè)方向的電壓值,將電壓值送給單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到方位信息,調(diào)節(jié)輸出信號(hào)控制X軸和Y軸電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而調(diào)整電池板姿態(tài),讓太陽(yáng)光線始終垂直照射于太陽(yáng)能光伏板。主電路對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升降壓控制,充放電控制以及電路保護(hù)。系統(tǒng)工作的同時(shí)利用上位機(jī)軟件進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控,準(zhǔn)確顯示太陽(yáng)方位以及電池充放電信息,提高了裝置使用的實(shí)用性與便捷性。

        3.太陽(yáng)能最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

        3.1 光電傳感模塊

        光電傳感模塊采用光敏電阻四象限分布模式,如圖3所示。首先,傳感模塊與太陽(yáng)能電池板安裝在同一平面上,4個(gè)光敏電阻朝向東西南北四個(gè)方向,因光敏電阻具有較寬的感光角度,而太陽(yáng)光是散射光,為了增強(qiáng)傳感器對(duì)太陽(yáng)光角度的偏離判斷能力,光敏電阻相互之間用擋板隔開,來(lái)遮蓋住部分方向射來(lái)的太陽(yáng)光線。

        系統(tǒng)工作時(shí),通過(guò)對(duì)光敏傳感器的輸出電壓的比較,對(duì)云臺(tái)姿態(tài)作如下調(diào)整:1、2號(hào)傳感器控制云臺(tái)的偏航轉(zhuǎn)動(dòng),3、4號(hào)傳感器控制云臺(tái)俯仰轉(zhuǎn)動(dòng),判斷兩個(gè)自由度的光強(qiáng)差,當(dāng)兩路電壓差同時(shí)達(dá)到額定誤差值0.1V時(shí),云臺(tái)停止。其優(yōu)點(diǎn)在于跟蹤精度高,工作效率高,自適應(yīng)能力強(qiáng),可以全天候的跟蹤[4]。

        表1 光伏測(cè)試數(shù)據(jù)

        圖3 光敏電阻分布圖

        3.2 主電路

        圖4 系統(tǒng)電路原理圖

        圖5 主程序流程圖

        如圖4所示主電路由Buck電路、充電電路、Boost電路和LED負(fù)載構(gòu)成。Buck電路將光伏電池板輸出電壓降至5V,除了用作單片機(jī)的工作電源,也是充電電路的輸入電壓。充電電路以MAX1898作為控制芯片,有效管理鋰電池(標(biāo)稱3.7V)的充電過(guò)程,盡量延長(zhǎng)鋰電池壽命。

        Boost電路采用兩塊升壓芯片F(xiàn)P6291,分別提供5V和6.4V兩路電壓輸出。6.4V的電壓用于驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載;僅在陰雨天或者夜晚時(shí),需要Boost電路提供5V輸出電壓。這是因?yàn)樵诖颂鞖鈼l件下,太陽(yáng)光強(qiáng)度大幅度下降導(dǎo)致Buck電路輸出電壓過(guò)低,無(wú)法讓單片機(jī)正常工作,而單片機(jī)作為系統(tǒng)控制核心,任何條件下應(yīng)該盡可能保證其正常運(yùn)行,需要根據(jù)天氣條件切換Buck和Boost電路的工作。本系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)光敏傳感器輸出電壓來(lái)判斷具體的天氣條件,如果光敏傳感器輸出電壓大于2.5V表示光照充足,Buck電路工作提供5V輸出而Boost電路不工作;電壓在1.2V~1.8V判斷為陰雨天,此時(shí)由Boost電路工作給系統(tǒng)提供5V工作電源;電壓低于0.8V則為夜晚,除了提供5V輸出的Boost電路正常工作以外,輸出6.4V的Boost電路也工作以驅(qū)動(dòng)LED負(fù)載。此外,為了保證鋰電池電量不過(guò)放,系統(tǒng)通過(guò)采樣鋰電池電壓,當(dāng)鋰電池電壓低于3.5V時(shí),控制系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài),切斷負(fù)載供電,只保留單片機(jī)的供電,以在條件適當(dāng)時(shí)喚醒整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入正常工作。

        3.3 閉環(huán)雙軸跟蹤控制程序的設(shè)計(jì)

        主程序進(jìn)行時(shí),首先要對(duì)所用到的模塊初始化,包括A/D模塊初始化,串口初始化,以及定時(shí)器0和PCA定時(shí)器初始化,利用這兩個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生兩路PWM波驅(qū)動(dòng)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。初始化完成后通過(guò)光電傳感器的輸出電壓進(jìn)行晝夜判斷,當(dāng)電壓高于2.5V時(shí),判斷為白天,當(dāng)電壓低于0.8V時(shí),判斷為夜晚。判斷結(jié)果為白天時(shí),太陽(yáng)能光伏電池板自動(dòng)轉(zhuǎn)到東邊初始位置,也就是太陽(yáng)升起的地方,開始尋找點(diǎn)光源,省去多余檢測(cè)時(shí)間。當(dāng)尋找到初始垂直光源時(shí),姿態(tài)保持,系統(tǒng)進(jìn)行充電過(guò)程,5分鐘后開始重新尋找光源(間隔時(shí)間可根據(jù)用戶對(duì)精度的具體需求自由調(diào)整),單片機(jī)對(duì)新一輪檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn),調(diào)整太陽(yáng)能板到理想姿態(tài)。系統(tǒng)工作的同時(shí)單片機(jī)會(huì)把東西南北四個(gè)方向的檢測(cè)電壓,光伏電池輸出電壓,光伏電池輸出電流,充電電壓,充電電流通過(guò)FBT06無(wú)線藍(lán)牙串口模塊傳給上位機(jī),用遠(yuǎn)程上位機(jī)對(duì)這些參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),當(dāng)參數(shù)不正常時(shí),系統(tǒng)會(huì)鳴叫報(bào)警。系統(tǒng)每隔5分鐘檢測(cè)跟蹤一次,一直到傳感器檢測(cè)到黑夜時(shí),系統(tǒng)停止跟蹤,進(jìn)行黑夜等待,等待重新出現(xiàn)白天,主程序流程圖如圖5所示。

        程序控制的核心是尋找并跟蹤垂直太陽(yáng)光線,由此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了基于太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤的控制算法如下:

        式中,TH(k)是本時(shí)刻輸出PWM波的高電平持續(xù)時(shí)間,TH(k-1)是上一時(shí)刻輸出PWM波的高電平持續(xù)時(shí)間,QU表示電壓值轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量,D為輸出PWM波的占空比,EW為東西方向,SN為南北方向。此算法實(shí)現(xiàn)了電壓差對(duì)輸出信號(hào)的控制,配合A/D轉(zhuǎn)換,最終實(shí)現(xiàn)東西光強(qiáng)差,南北光強(qiáng)分別控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)對(duì)偏航角度和俯仰角度的自動(dòng)調(diào)節(jié),從而達(dá)到了自動(dòng)跟蹤的目的,自動(dòng)跟蹤子程序流程圖如圖6所示。

        4.數(shù)據(jù)處理

        4.1 上位機(jī)數(shù)據(jù)采集

        利用VB軟件編寫上位機(jī)軟件對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)及電參量進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。上位機(jī)管理控制界面控分為三大部分。第一部分為串行口設(shè)置,為了提高軟件的適應(yīng)能力,該軟件的串行口設(shè)置部分提供了COM口以及波特率的選擇,用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際情況自行選擇。第二部分為位置檢測(cè),該部分是監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)垂直光線的跟蹤情況,監(jiān)測(cè)光電傳感器采集的電壓值,同時(shí)通過(guò)四條曲線將采集的電壓值描繪出來(lái)。第三部分為太陽(yáng)能板光伏電壓,太陽(yáng)能板光伏電流,充電電壓及充電電流的監(jiān)測(cè),并且繪制充電曲線。

        4.2 數(shù)據(jù)分析

        數(shù)據(jù)測(cè)試時(shí)間為2014年3月27日,上午8:00到下午16:00,地點(diǎn)位于常熟理工學(xué)院百工樓樓頂。數(shù)據(jù)測(cè)試裝置設(shè)為兩組,其中一組固定安裝,考慮到實(shí)地具體地理位置,太陽(yáng)能光伏板正南固定安裝,傾斜角設(shè)定為45o;另外一采用自動(dòng)跟蹤裝置。測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

        功率變化曲線如圖7所示,從圖中可以看出,采用自動(dòng)跟蹤裝置的太陽(yáng)能光伏板輸出功率明顯比固定安裝的光伏板輸出功率要高,特別是在上午8:00和下午16:00,輸出功率能夠提升80%左右。

        圖6 自動(dòng)跟蹤子程序流程圖

        圖7 功率變化曲線

        5.結(jié)語(yǔ)

        本系統(tǒng)針對(duì)現(xiàn)有的太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率低的情況進(jìn)行了軟硬件方面的改進(jìn)。系統(tǒng)采用了閉環(huán)控制的方案,提高了精確度,并且采用了雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng),克服了固定安裝和單軸跟蹤光能浪費(fèi)的缺點(diǎn),最大程度的利用了光能;系統(tǒng)主電路設(shè)計(jì)全面,充分考慮了系統(tǒng)在各種天氣情況下的運(yùn)行方案與供電,充電情況,功能完善;通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)控,提高了系統(tǒng)自動(dòng)化程度;系統(tǒng)成本低廉,運(yùn)行穩(wěn)定,具有實(shí)際研究意義。

        [1]馬帥旗,王柯,李計(jì)謀.基于MCU的太陽(yáng)能最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].陜西理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,29(5):19-20.

        [2]周志敏,紀(jì)愛華.太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010.

        [3]丁婷婷,祝雪妹.太陽(yáng)能光伏發(fā)電中跟蹤控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化,2012,41(6):200-205.

        [4]趙爭(zhēng)鳴,陳劍,孫曉瑛.太陽(yáng)能光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2012.

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