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    一種基于雙軸的太陽能自動跟蹤裝置

    2015-12-31 12:11:26張新亮
    機(jī)械工程與自動化 2015年1期
    關(guān)鍵詞:象限探測器組件

    張新亮

    (南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 南通 226007)

    0 引言

    能源是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),當(dāng)前,隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,包括我國在內(nèi)的各國對能源的需求與日俱增。太陽能作為一種可再生的新能源,受到世界各國的關(guān)注。如何提高光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率一直是太陽能利用的焦點,實現(xiàn)對太陽運動軌跡的自動跟蹤是提高光伏組件轉(zhuǎn)換效率的有效方法。據(jù)相關(guān)研究指出,光伏發(fā)電陣列進(jìn)行太陽運行軌跡跟蹤時,可以比固定式陣列提高33%的效率[1],且太陽自動跟蹤越精確,其發(fā)電效率越高。基于以上目的,本文提出了一種基于雙軸的太陽能自動跟蹤裝置。

    1 硬件結(jié)構(gòu)組成

    圖1為太陽能自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)框圖,該裝置為基于Msp430F149單片機(jī)的雙軸跟蹤裝置。系統(tǒng)可以在方位角、高度角兩個自由度上跟蹤太陽運行軌跡。本裝置由四象限探測器、時鐘電路、信號處理及控制電路、方位角及高度角調(diào)整模塊組成。

    圖1 太陽能自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)框圖

    1.1 四象限探測器的結(jié)構(gòu)及工作原理

    當(dāng)四象限探測器接收陽光時,將會在光敏探測器上產(chǎn)生光斑,當(dāng)光斑的中心與四象限探測器的中心不重合時,則說明太陽的位置發(fā)生了偏移。圖2為光斑與四象限探測器中心位置關(guān)系,圖2(a)為兩個中心相重合,即信號采集傳感器與陽光照射方向相垂直;圖2(b)為兩中心不重合,用Δx表示光斑與四象限探測器中心位置在x軸上的偏差量,Δy表示在y軸上的偏差量。

    1.2 電流信號處理電路

    四象限探測器輸出的信號類型是微弱電流信號,A/D轉(zhuǎn)換芯片只能夠?qū)﹄妷盒盘栠M(jìn)行處理,因此需要信號處理電路將電流信號轉(zhuǎn)換成A/D采集模塊識別的電壓信號。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

    圖2 光斑與四象限探測器中心位置示意圖

    圖3 四路電流轉(zhuǎn)電壓信號電路

    由計算可得到太陽光線在x和y方向的實際偏差值:

    其中:U1,U2,U3,U4為對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓;R為太陽光的偏移角度。圖3中,IN1,IN2,IN3,IN4為四路光電流信號,圖4反相電路同樣采用LM148,輸出的電壓信號經(jīng)過反相跟隨后輸出A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠識別的電壓信號AD0、AD1、AD2、AD3。

    圖4 反相電路

    1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

    步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示,該電路可以對控制電路輸出的脈沖進(jìn)行環(huán)形分配和功率放大,從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制電路發(fā)出一個脈沖信號和一個正方向信號時,通過DMD403進(jìn)行環(huán)形分配和功率放大后,步進(jìn)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動;當(dāng)DIR端口加負(fù)方向信號時,步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動。

    圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

    2 軟件設(shè)計

    整個自動跟蹤是在Msp430F149[2]單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下完成,主程序流程圖見圖6,系統(tǒng)的軟件程序主要由中斷程序及若干子程序組成。軟件部分主要完成以下工作:

    (1)開機(jī)初始化:包括單片機(jī)內(nèi)部定時器初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化等。

    (2)時間判斷:判斷裝置運行的時間是否在8:00~18:00之間,若不在8:00~18:00之間時,自動跟蹤裝置停止工作;根據(jù)地區(qū)的不同,裝置可以由軟件改動時間,到18:00之后,自動跟蹤裝置停止工作并固定在原位置直至20:00,之后復(fù)位。

    (3)跟蹤方式選擇:晴天時,系統(tǒng)選擇光電式跟蹤;否則,采用時鐘式跟蹤。

    基于雙軸的自動跟蹤裝置采用光電式跟蹤和時鐘式跟蹤相結(jié)合的方式,兩種跟蹤方式可自動切換。光電式跟蹤實時采樣太陽的空間位置數(shù)據(jù),通過控制電路來比較分析太陽運行軌跡變化,驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)跟蹤太陽的位置。時鐘式為輔助跟蹤,在烏云或陰天等天氣條件較差的情況下,采用此方式跟蹤控制。太陽每天轉(zhuǎn)動360°,假設(shè)裝置每N分鐘轉(zhuǎn)動一次,則一天中裝置每次應(yīng)轉(zhuǎn)動(N/4)°,該太陽能自動跟蹤裝置的N取值為5min[3],即每5min跟蹤裝置轉(zhuǎn)動1.25°。在天氣晴朗時,太陽光較強(qiáng),裝置采用光電式跟蹤模式;在有烏云或陰雨天等較差天氣條件下,由于光線較弱,裝置將自動切換到時鐘式跟蹤模式。

    圖6 主程序流程圖

    3 實驗論證

    取兩組性能參數(shù)相同的光伏組件,一組按當(dāng)前地理位置的最佳角度固定式安裝,另一組運用自動跟蹤裝置,圖7(a)為晴朗的天氣條件下,測試兩組光伏組件得到的采樣光強(qiáng);圖7(b)為中午前后突然降雨,兩組光伏組件采樣的光強(qiáng)。

    圖7 雙軸跟蹤與固定式安裝光伏系統(tǒng)的采樣光強(qiáng)

    比較兩種安裝方式在不同天氣情況下的采樣光強(qiáng)。晴朗天氣條件下,固定安裝式的光伏組件全天只在11:00~14:00這段時間,共計3h左右,光強(qiáng)達(dá)到1 000W/m2。自動跟蹤式的光伏組件光強(qiáng)達(dá)到1 000 W/m2左右,時間則從9:00~16:00,近7h。在天氣突變條件下,雙軸跟蹤方式相比于固定式,光伏組件接收了更多的太陽能。根據(jù)以上采樣數(shù)據(jù),可以計算得出:晴朗天氣下,固定安裝的光伏組件全天平均接收光強(qiáng)為622.8W/m2,自動跟蹤式的全天平均接收光強(qiáng)為873.4W/m2,可增加發(fā)電功率40.2%;天氣突變情況下,固定安裝光伏組件全天平均接收光強(qiáng)為497.3 W/m2,自動跟蹤式的全天平均接收光強(qiáng)為715.4W/m2,可增加發(fā)電功率43.8%。

    4 結(jié)論

    (1)本太陽能自動跟蹤裝置采用光電跟蹤和時鐘式跟蹤相結(jié)合,克服了天氣影響、誤差累積等缺點,并能自動檢測光強(qiáng)的變化。該太陽能自動跟蹤裝置的跟蹤精度高,可靠性較好。

    (2)通過實驗數(shù)據(jù)分析可得,與固定安裝相比,自動跟蹤裝置的太陽能利用率提高了40%左右。該跟蹤裝置成本較低,效果好,具有較好的推廣價值和應(yīng)用前景。

    [1]Gay C F,Yerkes J W,Wilson J H.Performance advantages of two-axis tracking for large flat-plate photovoltaic energy system[C]//Proceedings of 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.[s.l.]:IEEE,1982:1368-1371.

    [2]張朋濤,肖世德,黃燦泉.基于MSP430單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)電工程技術(shù),2005,34(11):36-37.

    [3]馮小強(qiáng),宋偉峰,宋婉貞,等.太陽跟蹤裝置[J].電子工業(yè)設(shè)備專用,2010(11):17-18,40.

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