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    光伏發(fā)電太陽跟蹤裝置設(shè)計

    2015-09-26 02:47:54張瑋瑋董昭安陽工學(xué)院河南安陽455000
    安陽工學(xué)院學(xué)報 2015年2期
    關(guān)鍵詞:傳感傳動軌跡

    張瑋瑋,董昭(安陽工學(xué)院,河南安陽455000)

    光伏發(fā)電太陽跟蹤裝置設(shè)計

    張瑋瑋,董昭
    (安陽工學(xué)院,河南安陽455000)

    在了解日地相對運動規(guī)律的基礎(chǔ)上,采用光電傳感跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結(jié)合的方法,設(shè)計了自適應(yīng)太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)。實驗表明,該裝置提高了對多變環(huán)境的適應(yīng)能力和跟蹤精度,實現(xiàn)了全天候全自動的太陽跟蹤。

    光電傳感跟蹤;視日運動軌跡跟蹤;自適應(yīng)

    太陽能光伏發(fā)電成為解決未來能源危機的重要途徑,但發(fā)電轉(zhuǎn)換效率很低極大地限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。太陽自動跟蹤是解決這一問題的一種可行的方法,其原理就是根據(jù)一天中不同時刻太陽在天空中方位的變化,調(diào)整太陽能利用裝置的偏轉(zhuǎn)角度,從而跟蹤太陽的偏移,使太陽入射光線時刻垂直照射,使太陽輻射能量得到充分接收。太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)可大大提高接收裝置的熱效率,提高太陽能的利用率。

    1 設(shè)計思路

    將視日運動軌跡跟蹤和光電傳感跟蹤的特點相結(jié)合,采取視日運動軌跡跟蹤開環(huán)控制和光電傳感跟蹤閉環(huán)控制的混合控制的策略,發(fā)揮各自優(yōu)勢。當(dāng)遇到陰雨等天氣情況時,光強太弱致使光敏二極管無法導(dǎo)通,系統(tǒng)自動跳到視日運動軌跡跟蹤方式進行跟蹤,天氣轉(zhuǎn)好后自動跳回光電傳感跟蹤,此方案發(fā)揮了光電傳感跟蹤的靈敏度高的優(yōu)點,同時合理地利用了太陽運動軌跡跟蹤方式,最大程度降低跟蹤裝置因天氣帶來的誤操作。設(shè)定跟蹤時間,根據(jù)地域不同使用軟件改寫,降低累積誤差,提高跟蹤精度。筆者所在的安陽地區(qū)7:00之前和20:00之后太陽光照比較弱,固定式和跟蹤式太陽能的采集量大體相同,因此采用控制系統(tǒng)復(fù)位后進入休眠等待模式,在此時間區(qū)間跟蹤裝置固定不動,更大程度的節(jié)約能源。

    太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的工作原理:設(shè)置前端光電傳感檢測電路對白天還是黑夜做出判斷,若是白天,運行編寫的程序,若是黑夜,響應(yīng)中斷程序,并自動復(fù)位到早晨太陽升起的位置,使跟蹤裝置處于待機的休眠狀態(tài),降低了系統(tǒng)的耗能。在白天時,再次判斷太陽光強度,判定出晴天還是陰天,在天氣晴朗時采用光電傳感跟蹤模式,在陰天時采用視日運動軌跡跟蹤模式,采用光電傳感—信號采集和處理—驅(qū)動芯片—驅(qū)動步進電機—太陽能采集板轉(zhuǎn)動—反饋調(diào)整,使用兩個步進電機,進而驅(qū)動太陽光接收裝置轉(zhuǎn)動,實現(xiàn)全天候全自動實時跟蹤。

    2 控制系統(tǒng)設(shè)計

    太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)采用視日運動軌跡跟蹤開環(huán)控制和光電傳感跟蹤閉環(huán)控制的混合控制的策略,包括軟件程序的設(shè)計、硬件電路的設(shè)計和機械傳動跟蹤平臺的設(shè)計。

    2.1軟件程序的設(shè)計

    整個控制系統(tǒng)的程序設(shè)計包括光電傳感跟蹤程序設(shè)計、視日運動軌跡跟蹤程序設(shè)計、時鐘電路程序設(shè)計、顯示模塊程序的設(shè)計、復(fù)位電路程序的設(shè)計等部分。程序主流程圖如圖1所示,視日運動軌跡跟蹤程序流程圖如圖2所示。

    整個程序的運行順序是:首先判斷晝夜的變化,若是黑夜啟動中斷程序,復(fù)位到第二天太陽升起的方向,然后使系統(tǒng)進入等待休眠狀態(tài)。如果不是,就進入陰晴判斷程序;陰天時,系統(tǒng)視日運動軌跡跟蹤方式;如果是晴天,采用光電傳感跟蹤方式。

    2.2硬件電路的設(shè)計

    太陽跟蹤裝置的硬件電路包括單片機最小系統(tǒng)電路、晶振電路、復(fù)位電路、時鐘電路、LCD顯示電路、手動調(diào)節(jié)電路、光電判斷跟蹤電路、步進電機驅(qū)動電路,光電跟蹤電路又包括判晝夜電路、判陰晴電路、晴天光電傳感電路。太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計原理圖如圖3所示,步進電機驅(qū)動電路如圖4所示。

    2.3機械傳動跟蹤平臺的設(shè)計

    太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的傳動機構(gòu)有兩大部分:①蝸輪蝸桿的傳動設(shè)計,控制調(diào)整高度角的步進電機采用蝸輪傳動,蝸輪傳動可獲得很大的傳動比,傳動工作平穩(wěn),傳動比精確,當(dāng)蝸輪的導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角時,蝸輪傳動實現(xiàn)自鎖,因傳遞運動的精確性、平穩(wěn)性、載荷分布的均勻性使使太陽能電池板隨外界環(huán)境的變化影響減小,晃動減小,使工作更穩(wěn)定。②齒輪的傳動設(shè)計,利用齒輪相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動,齒輪傳動平穩(wěn),傳動比精確,工作可靠。機械傳動跟蹤平臺的整體設(shè)計圖如5所示。

    3 結(jié)論

    本文是基于單片機的自適應(yīng)太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng),采用視日運動軌跡跟蹤為主、光電傳感跟蹤作為校正的混合跟蹤模式,隨太陽位置的不斷變化,使太陽跟蹤裝置可以繞垂直的兩個軸向轉(zhuǎn)動,根據(jù)太陽光線的變化自動調(diào)整集熱板或電池板的轉(zhuǎn)動,使太陽跟蹤裝置時刻垂直太陽光線,更好地應(yīng)對多變的天氣和復(fù)雜的環(huán)境,有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

    [1](日)坂本正文.步進電機應(yīng)用技術(shù)[M].王自強,譯.北京:科學(xué)出版社,2010.

    [2]張毅剛,彭喜元,彭宇.單片機原理及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2010.

    [3]李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京:北京工業(yè)大學(xué)出版社,2001.

    [4]鄭飛.蝶式太陽能熱發(fā)電跟蹤機構(gòu)電路優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京,中國科學(xué)院研究院,2003.

    [5]史敬灼.步進電動機伺服控制技術(shù)[M].北京:科學(xué)出版社,2006.

    [6]任超.太陽自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)的研究[D].武漢:武漢理工大學(xué),2007.

    [7]吳靜.太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究[D].重慶:重慶大學(xué),2008.

    [8]史偉會.基于七點法太陽定位器的自動跟蹤系統(tǒng)研究[D].上海:東華大學(xué),2011.

    (責(zé)任編輯:趙建周)

    TP23

    A

    1673-2928(2015)02-0025-03

    2014-09-27

    張瑋瑋(1980-),女,河南安陽人,安陽工學(xué)院講師,碩士研究生,主要研究方向為智能控制、自動控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。

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