耿曉強(qiáng)，唐向紅,2,3，劉國凱，陸見光,2,3

(1.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；3.貴州省公共大數(shù)據(jù)重點實驗室)

基于光敏電阻陣列的太陽自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計*

耿曉強(qiáng)1，唐向紅1,2,3，劉國凱1，陸見光1,2,3

(1.貴州大學(xué) 現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點實驗室，貴陽 550025；2.貴州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院；3.貴州省公共大數(shù)據(jù)重點實驗室)

為了提高太陽能利用率，設(shè)計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，可以實現(xiàn)系統(tǒng)以不同的頻率跟蹤太陽，既提高了太陽能利用率，又減少了系統(tǒng)跟蹤消耗的電能。本設(shè)計中傳感裝置結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)靈活性高，并且通過WiFi接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了該系統(tǒng)監(jiān)測和不同工作模式的設(shè)置。經(jīng)過測試和理論計算，該系統(tǒng)可以有效提高電池板的太陽能利用率。

自動跟蹤系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；光敏電阻陣列；模式設(shè)置

引 言

目前，面臨著傳統(tǒng)的化石能源的日益枯竭以及隨之而來的環(huán)境污染問題，新能源的利用越來越受到社會各界的重視，而且我國太陽能發(fā)電在新能源發(fā)電中占有很大的比例[1]。在過去10年中，我國太陽能裝機(jī)量增加了21倍，預(yù)計到2020年，我國太陽能裝機(jī)容量將達(dá)到2 000萬kW。因此，新能源的利用在未來將占有很重要的地位[2]。

但是傳統(tǒng)的太陽能板都是固定裝置，始終面向一個方向，這樣在很大程度上降低了太陽能的收集效率。即使很多可以自動調(diào)節(jié)角度的太陽能支架也都存在測量裝置復(fù)雜、成本高[3]，機(jī)械裝置調(diào)節(jié)不靈活[4]、穩(wěn)定性差的問題。

本文通過光敏電阻陣列和雙層調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)對太陽能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，其中光敏電阻陣列提供了一種簡單并且可以滿足控制需求的傳感裝置，雙層調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以足夠靈活地在各個方位實現(xiàn)與入射太陽光的垂直。設(shè)計通過WiFi模塊ESP8266接入互聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)跟蹤裝置的工作狀態(tài)，實時進(jìn)行電能監(jiān)測[5]，并且可以根據(jù)天氣情況對跟蹤裝置進(jìn)行模式設(shè)置，實現(xiàn)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的高效太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。在不同的光照條件下設(shè)置不同的跟蹤模式，而非采用太陽軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的方式[6]，大大減小了在光照不足的情況下軌跡跟蹤對電能的浪費。

1 整體方案設(shè)計

跟蹤系統(tǒng)主要由光敏電阻陣列、控制器STM32F407VET6、86BYG250H步進(jìn)電機(jī)、MA860H驅(qū)動器、機(jī)械調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和WiFi模塊ESP8266構(gòu)成，系統(tǒng)工作框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作框圖

其中光敏點陣負(fù)責(zé)測量當(dāng)前入射光線和太陽能板的夾角是否超過給定閾值；步進(jìn)電機(jī)和太陽能支架部分負(fù)責(zé)接收MCU的指令，對太陽能板的角度進(jìn)行調(diào)節(jié)；WiFi模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，可以通過移動終端對系統(tǒng)的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，也可以發(fā)送指令設(shè)置系統(tǒng)的不同工作模式，對系統(tǒng)實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[7-8]，以便在不同的天氣條件下設(shè)置系統(tǒng)最佳的工作方式。

系統(tǒng)啟動之后，第一步由MCU通過WiFi連接互聯(lián)網(wǎng)，檢測是否有移動終端發(fā)送的模式設(shè)置指令，如果檢測不到該指令，則默認(rèn)設(shè)置系統(tǒng)工作在“正常白天”模式下；第二步檢測光敏電阻陣列的輸出信號，根據(jù)不同的信號判斷雙層調(diào)節(jié)支架的調(diào)節(jié)方式，如果需要調(diào)節(jié)支架角度，則由MCU發(fā)送相應(yīng)的調(diào)節(jié)信號給電機(jī)驅(qū)動模塊，驅(qū)動兩路步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)支架角度，直至太陽能板和太陽光線垂直，此時光敏電阻陣列輸出“垂直”信號；第三步當(dāng)MCU檢測到太陽光已經(jīng)垂直電池板的時候，將兩路步進(jìn)電機(jī)斷電，并且控制器進(jìn)入睡眠模式，等待中斷喚醒，其中中斷命令包括移動終端發(fā)送的模式設(shè)置或讀取數(shù)據(jù)指令，以及光敏電阻陣列發(fā)出的“調(diào)節(jié)”信號；重復(fù)前三步的工作，直到通過光強(qiáng)測量[9]模塊測量當(dāng)前光強(qiáng)小于給定閾值，并且控制器內(nèi)部時鐘指示當(dāng)前時間在18:00之后，此時調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)停止工作，等到20:00之后，MCU控制調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)將太陽能板的角度調(diào)回初始位置，即在早上8:00時太陽光垂直太陽能板的角度處，等待第二天8:00以后重新啟動工作。

圖4 光敏電阻陣列電路

在工作過程中，系統(tǒng)可以設(shè)置的工作模式包括以下幾種：正常白天工作模式，如上所述正常調(diào)節(jié)支架角度；陰雨天模式，即光強(qiáng)模塊的測量顯示光強(qiáng)明顯不足，或者由移動終端直接設(shè)置，在該模式下，需要降低系統(tǒng)調(diào)節(jié)的頻率，或者將太陽能板固定在正南方向，不再調(diào)節(jié)角度；積雪模式，根據(jù)天氣狀況，由移動終端設(shè)置，在該模式下，調(diào)節(jié)太陽能板南北方向與地面夾角最大，使積雪盡快滑落，之后再根據(jù)當(dāng)前時間將太陽能板調(diào)節(jié)至大致符合調(diào)節(jié)規(guī)律的角度，進(jìn)入正常工作模式或者陰雨天模式。

2 主要硬件設(shè)計

2.1 MCU與WiFi模塊硬件接口

主控芯片選擇STM32F407VET6，內(nèi)核為32位的ARM Cortex-M4[10]，WiFi模塊選擇ESP8266，內(nèi)置Tensilica L106 32 位微型 MCU。 MCU與WiFi模塊的接口方式如圖2所示。

圖2 MCU與WiFi模塊接口方式

2.2 光敏電阻陣列

光敏電阻陣列采用光敏電阻和普通金屬膜電阻串聯(lián)分壓組成的3×5點陣，其中光敏電阻為GL5537，在照度為10 Lux的光照下，亮電阻為20～45 kΩ，暗電阻為2 MΩ；普通金屬膜電阻阻值為220 kΩ。光敏電阻排版方式如圖3所示，光敏電阻陣列電路如圖4所示。

圖3 光敏電阻陣列

光敏電阻陣列需封裝在一個不透光且上部開孔的盒子中，太陽光線照射到盒子上，通過上部開孔即可照射到相應(yīng)的光敏電阻上，從而檢測出當(dāng)前太陽光線和太陽能板所成夾角范圍，進(jìn)一步確定調(diào)節(jié)方式，圖5所示即光敏陣列的封裝形式。

圖5 光敏電阻陣列外部封裝

在本設(shè)計中光敏電阻的直徑為5 mm，考慮到太陽光可近似為平行光線，使盒子上部開孔直徑為5 mm，故太陽光透過盒子上部開孔投到光敏點陣平面的亮斑直徑最小為5 mm，完全可以觸發(fā)光敏電阻的亮電阻特性。

2.3 調(diào)節(jié)支架

太陽能板調(diào)節(jié)支架由雙層結(jié)構(gòu)組成，上層實現(xiàn)太陽能板東西方向的角度調(diào)整，下層實現(xiàn)南北方向的角度調(diào)整，雙層支架分別如圖6、圖7所示。

圖6 上層調(diào)節(jié)支架

圖7 下層調(diào)節(jié)支架

上層調(diào)節(jié)支架包括U形支架以及設(shè)置在U形支架內(nèi)的第一轉(zhuǎn)軸，太陽能板固定安裝在第一轉(zhuǎn)軸上，第一轉(zhuǎn)軸的端部通過聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)1的主軸連接；下層調(diào)節(jié)支架包括底座以及平行地設(shè)置在底座上的兩塊支撐板，在兩塊支撐板的一端設(shè)置有貫穿的連接孔，U形支架通過底部一端的第二轉(zhuǎn)軸與連接孔轉(zhuǎn)動連接，在兩塊支撐板的另一端之間設(shè)置有第二步進(jìn)電機(jī)，絲桿的一端通過聯(lián)軸器與第二步進(jìn)電機(jī)的主軸連接，在絲桿上設(shè)置有與絲桿螺紋配合的滑塊，滑塊與U形支架的底部另一端的滑塊安裝孔固定連接。

3 相關(guān)計算

在設(shè)計光敏電阻陣列的時候，需要根據(jù)單位時間內(nèi)太陽光線偏轉(zhuǎn)角度的余角θ確定相鄰電阻之間的距離ω，以及盒子的高度h，圖8所示即為三個變量之間的關(guān)系。

圖8 夾角分析圖

三個變量之間的關(guān)系式為：tanθ=h/ω,確定其中兩個變量即可求得另一個。由于圖3中所示的w1和w2大小是不等的，故應(yīng)分別確定。首先規(guī)定w1為5 mm，一個小時太陽轉(zhuǎn)過15°，即θ=75°，求得h=tanθ×w1=18 mm；兩個小時太陽轉(zhuǎn)過30°，θ=60°，求得w2=h/tanθ-w1=5.3 mm。

4 太陽能發(fā)電效率的提升

改變太陽能板角度的最終目的是為了提高太陽能利用率，更多地將轉(zhuǎn)化的太陽能存儲下來，本小節(jié)通過計算陽光充足的一天內(nèi)本設(shè)計所存儲的電能和普通太陽能板存儲電能，對兩種方式進(jìn)行對比，突出本設(shè)計的優(yōu)點和可行性。

假定太陽光在一天的10個小時內(nèi)的光強(qiáng)恒定，并且從與地平線夾角為15°轉(zhuǎn)到與地平線夾角為165°，期間轉(zhuǎn)過150°，每小時轉(zhuǎn)過15°。

4.1 物理模型抽象到數(shù)學(xué)模型

在相同的照度下，單位面積的太陽能板的發(fā)電功率是相同的，于是太陽能板接收到的太陽光的總量可以用來衡量電池板的發(fā)電量。對于一個表面是長方形的太陽能板，隨著太陽的轉(zhuǎn)動，太陽光和太陽能板的夾角會變化，這就導(dǎo)致了固定面積的太陽能板接收到的太陽光總量會變化。太陽光總量的變化可以抽象成照射到太陽能板上的太陽光面積的變化，或者說太陽能電池板有效面積的變化。于是求在一段時間內(nèi)太陽能電池板接收到的太陽光照的總量的問題，可以轉(zhuǎn)化成在一段時間內(nèi)接收到太陽光照射的電池板面積的總量的問題，而且規(guī)定太陽能板的有效長度不變，只有有效寬度S×sin(θ)變化，問題就又轉(zhuǎn)化成了求在一段時間內(nèi)變化的S×sin(θ)的總長度的問題，抽象出的數(shù)學(xué)模型表示如圖9所示。在計算S×sin(θ)總長度的時候，選取每1°作為一個計算節(jié)點，即自變量θ的遞增值為1°，計算出各個計算節(jié)點的值后相加，即為S×sin(θ)的總長度。

圖9 有效光照數(shù)學(xué)模型

4.2 普通固定式電池板日發(fā)電量計算

普通固定式太陽能電池板固定角度為正南偏西，為了計算方便，規(guī)定在一天10 h的計算時間內(nèi)，太陽轉(zhuǎn)過150°，太陽能電池板剛好固定在太陽轉(zhuǎn)過75°的位置。S×sin(θ)的總長度計算為：

由于一個小時角度轉(zhuǎn)過15°，而太陽能電池板發(fā)電功率為P，故在1°的范圍內(nèi)最大發(fā)電量為P·t/15，所以Sum1是在功率為P·t/15的條件下計算出來的，太陽能電池板長度為L，故一天內(nèi)固定太陽能電池板發(fā)電量為：

4.3 自動跟蹤式太陽能電池板日發(fā)電量計算

在本文的計算中,規(guī)定太陽能板每1 h調(diào)整一次角度，故θ角只在75°～90°之間變化，每日調(diào)整10次角度，共計150°。S×sin(θ)的總長度計算為：

同理，一天內(nèi)自動跟蹤式高效太陽能板發(fā)電量為：

4.4 兩種方式日剩余電量對比

對于普通的發(fā)電方式，太陽能板產(chǎn)生的電量如果全部存儲下來，按每平方米發(fā)電功率為100 W計算，普通方式每平方米電池板日剩余電量為746.29 W。

對于自動跟蹤式發(fā)電方式，需要考慮驅(qū)動電機(jī)、控制系統(tǒng)以及其他電能消耗。對電機(jī)和控制系統(tǒng)消耗的電能粗略計算可知，選用86BYG250H步進(jìn)電機(jī)，力矩為12 NM，工作電流為5 A，工作電壓為50 V，每次工作10 s，共計為100 s，消耗電能大約為7 W，其他設(shè)備以及計算外消耗的電能大約為10 W。故自動跟蹤式發(fā)電方式每平方米電池板日剩余電量為989.73-17=972.73 W，比普通固定式發(fā)電方式高30.34%。

通過上述對比，可以發(fā)現(xiàn)本文提出的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)可以有效地提高太陽能電池板的發(fā)電效率。

結(jié) 語

[1] 胡泊,辛頌旭,白建華,等.我國太陽能發(fā)電開發(fā)及消納相關(guān)問題研究[J].中國電力,2013,46(1):1-6.

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耿曉強(qiáng)(碩士研究生)，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)與智能制造。

Sun Automatic Tracking System Design Based on Photosensitive Resistor Array

Geng Xiaoqiang1,Tang Xianghong1,2,3,Liu Guokai1,Lu Jianguang1,2,3

(1.Key Laboratory of Advanced ManufacturingTechnology of Ministry of Education,Guizhou University,Guiyang 550025,China;2.School of Mechanical Engineering,Guizhou University;3.Guizhou Provincial Key Laboratory of Public Big Data)

To improve the utilization efficiency of the solar,an automatic tracking system of solar panels based on internet of things is designed.The system can achieve tracking the sun at a certain frequency,which improves the utilization rate of the solar energy,and reduces the system consumption of electricity.In the design,the sensing device has a simple structure,the adjusting mechanism is flexible,and it can access to the Internet through the WiFi.The system can realize the settings of monitoring and working modes.The test and theoretical calculation results show that the system can effectively improve the utilization efficiency of the panels for solar energy.

automatic tracking system;internet of things;photosensitive resistor array;mode setting

貴州省重大科技專項(黔科合重大專項字[2013]6019，黔科合重大專項字[2012]6018)、貴州省基礎(chǔ)研究重大項目(黔科合JZ字[2014]2001)和貴州大學(xué)面向智能裝備領(lǐng)域的“技術(shù)眾籌”研究生創(chuàng)新基地項目資助(JSZC[2016]004)。

TP23

A

?士然

2016-09-05)