梁燦強(qiáng),陳澤偉,陳家熙,林育龍,李依潼

(廣東海洋大學(xué),廣東 湛江 524088)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展,人們對(duì)能源類資源的依賴日益增加,而石化能源的消耗帶來了嚴(yán)重的環(huán)境和氣候變化問題[1]。 清潔可再生能源的利用為解決這道難題提供了答案[2],太陽能作為清潔能源,近年來倍受青睞。 我國(guó)太陽能資源豐富,能滿足人們對(duì)能源的迫切需求,太陽能發(fā)電也成為我國(guó)一項(xiàng)重要的能量來源。國(guó)外的單軸太陽跟蹤器發(fā)電板能實(shí)現(xiàn)東西方向的自動(dòng)跟蹤,南北方向則需要通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。 國(guó)內(nèi)常用的追蹤發(fā)電板為光電跟蹤裝置,利用光電檢測(cè)傳感器采集光電信息,通過比較微電流偏差來使跟蹤器追蹤太陽[3],但由于太陽光屬于泛光,加上天氣等影響因素,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定等情況存在。 目前,國(guó)內(nèi)外的追蹤發(fā)電板多為視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤,兩者均存在不理想的狀況。

為了解決上述問題,本文設(shè)計(jì)了仿向日葵太陽能發(fā)電板,以提高太陽能發(fā)電板的發(fā)電效率。

1 太陽能發(fā)電板的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)為模擬追蹤光源系統(tǒng),根據(jù)向日葵的生長(zhǎng)特性,模擬向日葵追蹤太陽光的原理設(shè)計(jì),太陽能發(fā)電板能像向日葵一樣,時(shí)刻追蹤太陽,以最佳角度朝向太陽,實(shí)現(xiàn)太陽能發(fā)電的效率提升。

系統(tǒng)采用STM32 單片機(jī)為主控芯片,負(fù)責(zé)信息的獲取以及轉(zhuǎn)換處理、PWM 波的輸出、電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制等。 各模塊相互協(xié)調(diào)組成仿向日葵太陽能發(fā)電板系統(tǒng),其中,GPS 模塊主要負(fù)責(zé)定位、當(dāng)?shù)貢r(shí)間日期的獲取等;顯示屏模塊負(fù)責(zé)處理后信息的顯示;舵機(jī)平臺(tái)由兩個(gè)自由度為180°的模擬舵機(jī)組成,負(fù)責(zé)光伏太陽能發(fā)電板的移動(dòng);清潔模塊由為太陽能發(fā)電板特制的清潔毛刷、減速電機(jī)以及供水模塊構(gòu)成。

1.2 功能設(shè)計(jì)

首先,系統(tǒng)通過GPS 模塊實(shí)現(xiàn)定位后,通過串口向主控芯片每秒發(fā)送一幀數(shù)據(jù),主控芯片提供數(shù)據(jù)解析得到的當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯度、UTC 時(shí)間及UTC 日期等數(shù)據(jù);其次,主控芯片通過算法分析,結(jié)合地理計(jì)算公式,計(jì)算出太陽高度角和當(dāng)?shù)厝粘鋈章涞葦?shù)據(jù),同時(shí)在TFT 屏幕顯示這些數(shù)據(jù);最后,通過主控芯片舵機(jī)平臺(tái)輸出特定的PWM 波,舵機(jī)平臺(tái)決定太陽能發(fā)電板的轉(zhuǎn)向,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的跟蹤,從而提高發(fā)電板的發(fā)電效率。 清潔模塊作為太陽能發(fā)電板的附加功能,可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐幕覊m積累程度來設(shè)定發(fā)電板的清潔時(shí)間間隔,若遇上灰塵較大的情況,可以使用主控電路板上的手動(dòng)按鈕進(jìn)行手動(dòng)清潔發(fā)電板,進(jìn)一步提高發(fā)電板的發(fā)電效率。 主要功能流程如圖1 所示。

圖1 主要功能流程

2 算法分析

2.1 GPS 定位

示例發(fā)電板使用的GPS 模塊為WTGPS+BD 單雙模定位模塊,可以同時(shí)接收6 個(gè)系統(tǒng)的GNSS 信號(hào),實(shí)現(xiàn)聯(lián)合定位、導(dǎo)航和受時(shí)。 使用GPS 定位后,GPS 模塊將會(huì)回去一幀數(shù)據(jù),其中包含多種基本數(shù)據(jù):

$GPRMC 推薦定位信息;

$GPVTG 地面速度信息;

$GPGGA 全球定位信息;

$GPGSA 當(dāng)前衛(wèi)星信息;

$GPGSV 可見衛(wèi)星信息;

$GPGLL 地理位置信息。

其中,$GPRMC 信息為:

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>?hh

其中,<1>UTC 時(shí)間,<3>緯度,<4>南北緯,<5>經(jīng)度,<6>東西經(jīng),<9>UTC 日期,其余略。

該信息符合獲取要求,主控芯片將對(duì)其進(jìn)行提取解析。

在獲取GPS 定位信息后,通過$GPRMC 解析得到當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、UTC 時(shí)間及UTC 日期等數(shù)據(jù),經(jīng)過換算可得到太陽能發(fā)電板所處的實(shí)際地理位置及當(dāng)?shù)貢r(shí)間。

2.2 太陽高度角

太陽高度角是指地球某一時(shí)間內(nèi)太陽平行光線照射到地平線上的夾角[4],用太陽高度角作為發(fā)電板的仰角,實(shí)現(xiàn)發(fā)電板以最佳角度朝向太陽。 在得到太陽高度角前,需要獲得太陽赤緯角、太陽時(shí)角等信息。

根據(jù)太陽光照射方向與赤道面的夾角,得到太陽赤緯角δ=23.45×sin((N-80)/370.0×360)。 其中23.45 為黃赤交角(23°27’),N 為從元旦開始算的天數(shù)。 地球分為24 時(shí)區(qū),每隔15°相差1 h,與經(jīng)線對(duì)應(yīng)后,得到時(shí)角Ω=15×(t-12),其中t 為當(dāng)?shù)貐^(qū)時(shí)。

綜上,可得太陽高度角:sinH=cosΩ×cosδ×cosφ+sinδ×sinφ。 其中,H 為太陽高度角,Ω 為太陽時(shí)角,δ為太陽赤緯角,φ 為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

2.3 日出日落

根據(jù)晨昏線對(duì)緯平面切割比例來得到當(dāng)?shù)氐貐^(qū)的白天時(shí)長(zhǎng),使用UTC 時(shí)間計(jì)算當(dāng)?shù)氐恼鐣r(shí)間(即當(dāng)?shù)?2 點(diǎn)),用正午時(shí)間來平分白天時(shí)長(zhǎng),便可得到當(dāng)?shù)卮笾碌娜粘鰰r(shí)間及日落時(shí)間。

根據(jù)地球的黃赤夾角與處于某一緯度的緯平面及地球自轉(zhuǎn)軸之間的幾何關(guān)系,可以得到該緯度所處的白天時(shí)長(zhǎng),主要過程為先求出所處平面的黑夜時(shí)長(zhǎng)的切割比例:ψ=2arccos(R×sinφ×tanδ)/(r×cosφ)。其中,ψ 為黑夜切割的角度,δ 為太陽赤緯角,φ 為當(dāng)?shù)鼐暥?R 為地球半徑,r 為所處緯平面的半徑。

之后,求出當(dāng)?shù)匕滋鞎r(shí)長(zhǎng)T:T = (1-ψ/360)×24。

綜上,可得出日出時(shí)間:12-T/2;日落時(shí)間:12+T/2。

3 硬件實(shí)現(xiàn)

示例發(fā)電板系統(tǒng)的硬件部分由舵機(jī)平臺(tái)、控制面板(由主控芯片、GPS 模塊、TFT 顯示屏及電機(jī)驅(qū)動(dòng)構(gòu)成)、太陽能板和清潔模塊構(gòu)成的一體化面板3 大板塊組成。

3.1 舵機(jī)平臺(tái)的動(dòng)作設(shè)計(jì)

舵機(jī)平臺(tái)有兩個(gè)自由度,轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為0°~180°,通過算法分析出太陽高度角和日出日落,利用這兩個(gè)數(shù)據(jù)確定舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。 其中,日出日落確定一級(jí)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向范圍,太陽高度角決定二級(jí)舵機(jī)的仰角。

一級(jí)舵機(jī)用角度90°作為當(dāng)?shù)卣绲幕鶞?zhǔn),以180°作為日出的方向,以0°為日落的方向。 一天中太陽的日照時(shí)間不超過12 h(不考慮地球極圈),可知太陽的日出日落時(shí)間在0°~180°變化,在主控芯片得到日出日落后,PWM 驅(qū)動(dòng)一級(jí)舵機(jī)在這一區(qū)間內(nèi)隨當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間規(guī)律變化。

二級(jí)舵機(jī)用90°~180°的旋轉(zhuǎn)角度作為發(fā)電板在北半球的太陽高度角的朝向;用0°~90°的旋轉(zhuǎn)角度作為發(fā)電板在南半球的太陽高度角的朝向;當(dāng)發(fā)電板位于赤道時(shí),固定角度為90°。 太陽高度角在當(dāng)?shù)卣绔@得最大值,日出日落為0°(不考慮地球極圈)。由于地球的自轉(zhuǎn),太陽東升西落得到周日視運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,觀察太陽周日視運(yùn)動(dòng)可以得到一個(gè)太陽周日視運(yùn)動(dòng)軌跡圖[5],即太陽高度角的變化值為日出(0°)—正午(最大值)—日落(0°)的弧度變化。 在主控芯片得到太陽高度角后,PWM 驅(qū)動(dòng)二級(jí)舵機(jī)在這一區(qū)間內(nèi)隨當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間規(guī)律變化。

一級(jí)舵機(jī)和二級(jí)舵機(jī)聯(lián)合轉(zhuǎn)動(dòng),可使發(fā)電板像向日葵一樣追蹤太陽。

3.2 發(fā)電板的清潔

清潔模塊由蓄水盒、減速電機(jī)(作為毛刷驅(qū)動(dòng))、電動(dòng)水泵(供水)以及特制毛刷(由軟管和清潔棉組成)組成。 粉塵濃度較高是影響光伏消耗的因素,所以太陽能組件清潔系統(tǒng)也應(yīng)更加智能化[6]。 當(dāng)發(fā)電板系統(tǒng)達(dá)到設(shè)定的清潔時(shí)間或手動(dòng)清潔時(shí),發(fā)電板會(huì)轉(zhuǎn)向特定的角度,小水泵向發(fā)電板的毛刷間歇性供水,然后使用減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)清潔毛刷在發(fā)電板表面往復(fù)運(yùn)動(dòng),最終實(shí)現(xiàn)發(fā)電板表面的灰塵的清潔處理。

4 功能測(cè)試

測(cè)試前放置整個(gè)發(fā)電板時(shí),使用指南針來輔助發(fā)電板的方位朝向,確保發(fā)電板以正確的方向?qū)?zhǔn)太陽。 以地理位置廣東肇慶(23°18’N,111°50’E)進(jìn)行測(cè)試:啟動(dòng)程序,等待GPS 模塊獲取信息,TFT 屏幕顯示處理得到的當(dāng)?shù)財(cái)?shù)據(jù),主控芯片確定太陽高度角、日出日落信息,通過PWM 驅(qū)動(dòng)太陽能發(fā)電板的朝向,至此,太陽能發(fā)電板像向日葵一樣隨著太陽的周日視運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行運(yùn)動(dòng),如圖2 所示。 在當(dāng)?shù)貢r(shí)間的00:00 后,發(fā)電板的朝向?qū)⑥D(zhuǎn)至第二天太陽升起的方向,等待第二天的追蹤。

圖2 系統(tǒng)的實(shí)物測(cè)試

經(jīng)測(cè)試,與固定的發(fā)電板(面向中午太陽的方向)對(duì)比,結(jié)合在各時(shí)段接負(fù)載測(cè)試電流與電壓換算后,系統(tǒng)發(fā)電量能提升15%~20%左右,達(dá)到了預(yù)期的效果。

5 結(jié)語

太陽能板發(fā)電系統(tǒng)基于STM32 芯片,聯(lián)合GPS定位,不需要網(wǎng)絡(luò),能自主獨(dú)立工作,適用地區(qū)廣。 系統(tǒng)仿照向日葵的追光設(shè)計(jì),既能解決固定朝向的太陽能發(fā)電板效率不高和半自動(dòng)的單軸太陽跟蹤器發(fā)電板的耗費(fèi)人力的問題,又能解決光電跟蹤導(dǎo)致發(fā)電板誤判的問題,加入的清潔模塊更使系統(tǒng)趨向智能化。在太陽能資源豐富的地區(qū)使用,能提高太陽能的利用效率,為今后的太陽能資源開發(fā)提供了一定的參考意義。