沙春芳

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

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基于C8051F061的太陽跟蹤控制器設(shè)計

沙春芳

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

針對目前采用的太陽跟蹤控制器跟蹤精度不高的問題，設(shè)計了一種基于C8051F061的雙模式太陽跟蹤控制器。該控制器將視日運動軌跡跟蹤與采用四象限光電傳感器的高精度光電跟蹤相結(jié)合，精確計算、測量出太陽的方位角和高度角，通過方位控制步進電機和高度控制步進電機使電池板始終垂直于太陽光線，提高了跟蹤精度，從而有效地提高太陽能利用率。實驗結(jié)果表明，該控制器具有較高的跟蹤精度。

太陽跟蹤；四象限光電探測器；C8051F061；CAN總線

太陽能是一種綠色、可再生能源，在能源緊張、環(huán)境問題日益突出的今天，越來越受到人們的重視。光伏發(fā)電是利用太陽能的主要途徑之一，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電池板垂直于太陽光時發(fā)電效率最高，因此要提高光伏發(fā)電效率，就應(yīng)使電池板隨太陽而動且始終保持與太陽光的垂直[1-2]，太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)即為此而設(shè)計。

常用的太陽能跟蹤控制主要有3種方法：(1)基于地球勻速自轉(zhuǎn)的勻速控制法；(2)利用光敏電阻的光強控制法；(3)基于當(dāng)前時間及地點經(jīng)緯度的視日運動軌跡跟蹤。這3種控制方法都存在一些問題，不能實現(xiàn)太陽的高精度跟蹤。文中利用四象限探測器對光強控制法進行改進，同時結(jié)合視日運動軌跡跟蹤設(shè)計了一種高精度太陽自動跟蹤控制器。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

太陽跟蹤控制器主要由單片機C8051F061、四象限探測器、信號調(diào)理電路、GPS模塊、風(fēng)速傳感器、步進電機驅(qū)動及隔離、CAN總線接口電路等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽跟蹤控制器系統(tǒng)框圖

GPS模塊提供時間及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計算出太陽的方位角和高度角，四象限探測器的四路輸出信號經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換、電壓放大后，經(jīng)模擬開關(guān)選擇送入C8051F061的兩路16位高速ADC中進行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果計算出當(dāng)前太陽跟蹤偏差，經(jīng)隔離后驅(qū)動兩個步進電機調(diào)整電池板的方位角和高度角，使電池板垂直于太陽光。風(fēng)速傳感器測量當(dāng)前的風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速過大時，控制電池板旋轉(zhuǎn)至利于抗風(fēng)的角度。為方便構(gòu)成現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)，控制器設(shè)計有CAN總線接口，通過CAN總線向其他節(jié)點提供當(dāng)前時間、風(fēng)速、太陽方位角、高度角等信息，在其他節(jié)點配合下實現(xiàn)太陽能電池陣列的控制。

2 硬件電路設(shè)計

2.1 四象限光強探測及信號調(diào)理電路

2.1.1 四象限光強探測定位原理

四象限探測器是一種光電探測器，其感光面分割為4個相同的部分，對應(yīng)于直角坐標系的四象限，光束照在感光面上形成圓形的光斑，探測器的4個部分分別產(chǎn)生電流，電流大小與光斑面積成正比，因此可根據(jù)電流大小計算出光斑中心的坐標(x,y)。將4個象限的光斑面積分別記為Sa，Sb，Sc和Sd，各象限的光電流轉(zhuǎn)換成電壓后分別為Va，Vb，Vc和Vd，當(dāng)圓形光斑中心與探測器重合時，如圖2(a)所示，光斑中心坐標為(0,0)，否則，如圖2(b)所示，可根據(jù)式(1)～式(2)計算出光斑的中心坐標，其中k為待標定的常數(shù)[3-4]。

(1)

(2)

設(shè)計中采用的光強跟蹤四象限光闌筒如圖2(c)所示。四象限探測器QP50-6安裝在光闌筒底部的中心，頂部小孔的中心與QP50-6的中心共軸，太陽光經(jīng)過頂部小孔經(jīng)消雜光光闌后在四象限探測器光敏面上形成圓形光斑。由于光斑直徑與四象限探測器半徑相等時，探測靈敏度最高，根據(jù)太陽張角(0.533°)選擇光闌筒高度h為200 mm，頂部小孔直徑為3 mm，此時太陽光斑的直徑約等于Q50-6光敏面半徑，可實現(xiàn)最高精度跟蹤[5-6]。

圖2 四象限光強探測原理

太陽方位角β、入射角θ分別為[7]

(3)

(4)

根據(jù)式(3)～式(4)求得太陽方位角和入射角后，根據(jù)所用步進電機及其驅(qū)動細分情況，計算出兩個步進電機相應(yīng)的步數(shù)，控制電機調(diào)整電池板角度，使之與太陽光垂直。

2.1.2 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路如圖3所示，圖中OPA129是一種高輸入阻抗、超低偏置電流、低漂移的精密運算放大器，適合處理光電傳感器輸出的光電流信號；傳感器a象限輸出的光電流經(jīng)OPA129處理后得到電壓信號，在精密運算放大器OP37放大后經(jīng)模擬開關(guān)CD4066送C8051F061進行A/D轉(zhuǎn)換。

圖3 信號調(diào)理電路(a象限)

2.2 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路如圖4所示。采用TJA1050作為CAN總線驅(qū)動器，C8051F061的CAN控制器收/發(fā)信號經(jīng)高速光耦6N137隔離后與TJA1050相連。光電耦合器的使用，實現(xiàn)了總線上各節(jié)點的電氣隔離，增強了系統(tǒng)抗干擾能力。

圖4 CAN總線接口電路

2.3 風(fēng)速監(jiān)測電路及GPS模塊接口

考慮到強風(fēng)可能會造成太陽能電池板的損壞，系統(tǒng)中采用5 V供電的電壓輸出型(0～5 V)YGC-FS風(fēng)速傳感器設(shè)計了風(fēng)速監(jiān)測電路，當(dāng)風(fēng)速超過設(shè)定值時，控制電池板旋轉(zhuǎn)到風(fēng)壓較小的角度。

GPS模塊與C8051F061的UART接口相連，獲取當(dāng)前地點的經(jīng)、緯度及時間、日期信息。根據(jù)這些信息利用公式求得當(dāng)?shù)?、?dāng)時的太陽高度角α及方位角γ[8]

sinα=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω

(5)

δ=23.45sin[360×(248+n)/365]

(6)

tanγ=sinω·cosδ/cosα

(7)

根據(jù)式(5)計算太陽高度角，根據(jù)式(7)計算太陽方位角。其中，φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?；ω為太陽時角，其數(shù)值等于離正午的時間乘以15°，其中上午為負，下午為正；δ是太陽赤緯角，由Cooper方程，即式(6)，近似求得。式(6)中n是一年中日期序號，元旦時n=1。

3 軟件設(shè)計

單片機程序主要任務(wù)為：與GPS模塊通信、四象限傳感器的數(shù)據(jù)采集、CAN總線通信、對步進電機進行決策及控制。

主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電初始化之后，讀取GPS信息，若GPS數(shù)據(jù)有效提取經(jīng)緯度、時間、日期信息，若當(dāng)前處于系統(tǒng)工作時間，則每6 min采集一次四象限光電傳感器數(shù)據(jù)，太陽剛升起時照度低，自動進入視日運動軌跡跟蹤模式，亮度足夠高后自動進入精度更高的四象限光強定位跟蹤模式；非工作時間自動回到初始位置。

圖5 主程序流程圖

4 實驗測試

2016年1月10日在鹽城(東經(jīng)120.21°，北緯33.38°)對所設(shè)計的太陽跟蹤系統(tǒng)進行測試，測試數(shù)據(jù)通過C8051F061的UART1上傳到PC機中，PC機上自編的LabVIEW程序接收數(shù)據(jù)并存儲為Excel表格形式。其中，太陽高度角以當(dāng)前地點地平線為0°，頭頂為90°；太陽方位角以當(dāng)前地點正午為0°，上午為負，下午為正。測試時間8:00～16：00，每6分鐘輸出一組數(shù)據(jù)，總共獲得80組數(shù)據(jù)。太陽高度角和方位角的跟蹤結(jié)果與各自的理論值比較分別如圖6和圖7所示。從實驗數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)跟蹤誤差<±0.5°，光照度越大跟蹤誤差越小。

圖6 太陽高度角跟蹤測試結(jié)果

圖7 太陽方位角跟蹤測試結(jié)果

5 結(jié)束語

介紹了一種兩個自由度的高精度太陽跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)將視日運動軌跡的粗略跟蹤和基于四象限光電探測的精密跟蹤結(jié)合起來，相對于傳統(tǒng)的單一太陽跟蹤控制，大幅提高了跟蹤精度。

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Design of Solar Tracking Controller Based on C8051F061

SHA Chunfang

(School of New Energy and Electronic Engineering, Yancheng Teachers University,Yancheng 224002,China)

The paper presents a dual-mode solar tracking controller based on C8051f061 for better accuracy. The system combines the visual solar movement trajectory with the high accuracy tracking of four quadrant photoelectric detector. After the solar azimuth and altitude angle are calculated, the cell panel is adjusted vertical to the sunlight by driving the step motors that controls the azimuth and altitude to achieve high tracking precision, thus a higher utilization of solar energy. The experiment results show that the solar tracking controller can achieve high tracking accuracy.

solar tracking; four quadrant photoelectric detector; C8051F061;CAN bus

2016- 01- 24

沙春芳(1973-)，女，碩士，講師。研究方向：光電技術(shù)應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.004

TN209;TP

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