太陽能雙軸聚光跟蹤控制設(shè)計與優(yōu)化

沈　磊,　姜　晨

(上海理工大學 機械工程學院,上海　200093)

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太陽能雙軸聚光跟蹤控制設(shè)計與優(yōu)化

沈磊,姜晨

(上海理工大學 機械工程學院,上海200093)

摘要：針對聚光光伏跟蹤控制的要求,設(shè)計了一種改進型的太陽能雙軸跟蹤控制系統(tǒng),并對控制系統(tǒng)進行了優(yōu)化.系統(tǒng)采用一種新型太陽位置算法ENEA(2007),高度角和方位角的最大誤差不超過0.002 7°;硬件平臺采用STM32系列芯片作為系統(tǒng)的控制核心,在電機控制追蹤精確度方面進行了優(yōu)化.經(jīng)現(xiàn)場實驗測試,該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠,整體誤差較低.

關(guān)鍵詞：STM32系列芯片; 太陽位置算法; 雙軸跟蹤

太陽能的發(fā)展與利用一直是新能源發(fā)展的重要方向,也是世界各國大力研究與應用的重點.在眾多新能源中,太陽能作為一種新能源,有取之不盡用之不竭、普遍存在、經(jīng)濟方便等眾多優(yōu)勢[1].研究表明,與固定式和單軸跟蹤式相比,雙軸跟蹤式對太陽能的利用率最大[2],能量接收效率能提升30%以上,因此,對太陽能雙軸跟蹤控制的研究具有實際意義.

太陽能雙軸追蹤主要有光電式和視日式兩種.光電追蹤主要是根據(jù)光電傳感器感應光線強度的變化產(chǎn)生反饋信號,通過控制器來調(diào)整鏡面位置.而視日追蹤主要是根據(jù)太陽位置算法算出當前太陽的位置,然后驅(qū)動控制設(shè)備使之達到預定位置.光電追蹤雖然精確,但是,在陰天等天氣時不能發(fā)揮作用,對光照條件要求很高.視日追蹤是利用算法得到某個位置不同時刻的太陽的位置,然后控制系統(tǒng)發(fā)出指令使得跟蹤裝置達到指定位置.視日追蹤環(huán)境適應好、可靠度高.

根據(jù)視日跟蹤的原理,本文設(shè)計了一種改進型的太陽能雙軸跟蹤控制系統(tǒng),對控制算法進行了優(yōu)化.仿真與實驗結(jié)果表明:該優(yōu)化設(shè)計能有效提高系統(tǒng)控制精度,同時增強控制系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性.

1控制系統(tǒng)整體設(shè)計

太陽視日跟蹤示意圖如圖1所示,太陽光線與地平面的夾角為е,即為高度角;在地平面的投影與正北的夾角為Γ,即為方位角.光伏雙軸跟蹤控制裝置在對太陽進行跟蹤時,必須保證光伏板的法線與太陽光的方向相同,才能對太陽進行準確的跟蹤.

現(xiàn)根據(jù)太陽視日跟蹤的原理進行控制系統(tǒng)設(shè)計.控制系統(tǒng)是利用現(xiàn)場控制器，根據(jù)太陽位置算法得出當前時間的太陽位置,然后發(fā)送指令驅(qū)動方位軸和高度軸電機轉(zhuǎn)動,使裝置轉(zhuǎn)動到預定位置,完成對太陽的實時追蹤,其原理圖如圖2所示.

圖1　太陽視日跟蹤原理圖

控制系統(tǒng)采用意法公司的STM32F103RE芯片為控制核心.裝置的高度角位置反饋通過傾角儀與控制器進行485通訊完成;方位角位置反饋是利用控制器對霍爾傳感器進行捕獲得到;方位軸電機和高度軸電機驅(qū)動是靠兩路互補的PWM波和驅(qū)動電路實現(xiàn)[3].專用時鐘芯片用于系統(tǒng)時間的精確計算,保證了計時的穩(wěn)定性與準確性.控制器與上位機的通訊利用modbus485協(xié)議[4].通過對風速儀的頻率捕獲來實現(xiàn)實時風速的測量.

2太陽位置算法優(yōu)化

太陽位置主要由太陽光線的高度角e和方位角Γ來表示.方位角的定義如下:以正北為0,北偏東為正.太陽能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)是對太陽位置的追蹤,因為,太陽光線的位置每時每刻都是變化的,而且隨時間的變化規(guī)律也不一樣,每一天也是不同的.太陽方位用高度角和方位角表示,這2個參數(shù)的大小由地理緯度φ、地方時角H和太陽赤緯角δt共同決定[5].

(1)

(2)

對地理緯度、地方時角和赤緯角這3個參數(shù)的計算精確程度決定著太陽位置算法的精度.高精度的太陽位置算法可以減少系統(tǒng)誤差,提高太陽追蹤的準確性,提高發(fā)電效率.目前精度最高的太陽位置算法是SPA(2004)[5],其最大誤差是0.000 3°,有效年份在公元前2 000年到公元6 000年.由于SPA算法綜合考慮了章動、大氣折射、光行差、赤經(jīng)對時間的修正、地心與地面的坐標轉(zhuǎn)換等大量的校正計算,并給出了許多復雜的校正參數(shù),導致算法復雜、計算量龐大,不適合植入嵌入式內(nèi)核進行計算.

本文采用另一種高精度的位置算法ENEA(2007),最大誤差只有0.002 7°[6].ENEA同SPA一樣考慮了章動、大氣折射、地心與地面的坐標轉(zhuǎn)換、視差矯正、月球攝動等對于太陽方位的影響.ENEA同SPA相比,作了很多簡化,沒有很多復雜的矯正參數(shù).ENEA算法的地方時角和赤緯角(以地面某點為中心)為

(3)

h=6.300 388 099 03tG+4.882 462 3+

(4)

(5)

(6)

式中:Δα是赤經(jīng)角的視差矯正;Δγ為章動的地心經(jīng)度矯正;θ為地理經(jīng)度;α為地心太陽赤經(jīng)角;tG為儒略日;δ是以地心為中心的太陽赤緯角;ε為地球旋轉(zhuǎn)軸的傾斜角;γ為地心太陽經(jīng)度;h為地方時角(未經(jīng)校正).

同時,對于高度角的矯正還增加了同SPA一樣的大氣折射的矯正Δe[5].

Δe=0.084 217P/[(273+T)tan(e0+

0.003 137 6)/(e0+0.089 16))]

(7)

式中:P為大氣壓強;T為溫度;e0為不考慮大氣折射校正的太陽高度角.

ENEA算法對SPA算法作了許多的簡化與改進,在保證精度的同時,大大簡化了計算.與其他常用算法相比,ENEA計算量相差不大,但是,精度高出許多.

為驗證實際效果,利用Visul C++6.0開發(fā)環(huán)境開發(fā)了SPA,ENEA,PSA這3種算法.PSA是一種常用的高精度太陽位置算法,文獻[7]中PSA的算法精度為0.008°,但其適用年限為1999～2015年.由于SPA算法精度最高,在很多相關(guān)研究中都將SPA當作太陽年歷,可以用來檢驗其他算法的精度.以2015年5月份上海某地的太陽高度角和方位角數(shù)據(jù)(每天8:00—16:00)為例,對3種算法進行仿真比較,得出仿真數(shù)據(jù).圖3是太陽的高度角和方位角隨一天時間S的變化情況.圖4為ENEA與SPA相比的一天的誤差變化情況θ1.圖5是ENEA在5月份30天的誤差變化情況θ2.圖6是PSA在5月份30天的誤差變化情況θ3.

由于在Visul C++6.0仿真中,3個算法地理位置信息輸入存在誤差,因此,仿真結(jié)果會有微小的誤差.研究發(fā)現(xiàn)2個算法的誤差每天的趨勢大致相同.由圖6可以看出,PSA算法的誤差明顯比較大,高度角誤差超過0.5°,方位角最大誤差已經(jīng)超過1°,不再適合使用.由圖5得出,ENEA方位角最大誤差不超過0.015°,高度角最大誤差不超過0.007°.如圖4所示,通過一天的比較發(fā)現(xiàn),ENEA高度角誤差在中午之前相對較小,從中午時刻開始慢慢變大;方位角誤差在中午時刻達到最大,其他時間相對較小,誤差保持在一個很小的范圍之內(nèi),同時,比較穩(wěn)定.因此,ENEA算法比較可靠.

圖3　一天中高度角、方位角的變化(6:00—18:00)

圖4　ENEA算法一天誤差

圖5　ENEA 2015年5月誤差

圖6　PSA 2015年5月誤差

表1是3種算法計算復雜程度的比較.可以看出,PSA與ENEA計算復雜程度相差不大,都不是很高;而SPA比前兩者高出10倍以上,十分復雜,計算耗時最大.因此,通過仿真分析和實際比較,ENEA算法最優(yōu).在保證算法高精度的同時,計算復雜程度也保持在一個合理的范圍之內(nèi).

表1　算法數(shù)學計算次數(shù)比較

現(xiàn)場聚光光伏裝置發(fā)電主要是靠光伏鏡面(電池板)吸收太陽光線并轉(zhuǎn)化為電能，必需保證鏡面與太陽光線垂直，電能轉(zhuǎn)化率才會達到最大.光伏鏡面的位置同樣由高度角和方位角組成.為保證光伏鏡面與太陽光線保持垂直,根據(jù)幾何位置,它的高度角與太陽的高度角互余,方位角與太陽的方位度角相同.

3軟件設(shè)計與優(yōu)化

軟件設(shè)計優(yōu)化的思路是首先根據(jù)時鐘芯片算出當前時間,然后由太陽位置算法計算出當前時間的太陽的高度角和方位角,進而得出鏡面當前的高度角和方位角,也就是當前位置的理論值.讀取傾角儀反饋的高度角,根據(jù)霍爾傳感器的反饋脈沖換算出方位角,這兩個角度值也就是當前位置的實際值.讓電機轉(zhuǎn)動一定的角度(理論值與實際值的差值),使得當前的實際角度接近理論值，這樣保證了對太陽光線的精確追蹤.

優(yōu)化設(shè)計有4種模式:手動模式、自動模式、保護模式和本地模式.手動模式下能夠手動調(diào)節(jié)鏡面的高度角和方位角.自動模式就是自動進行太陽位置的追蹤.在保護模式下，裝置的雙軸會轉(zhuǎn)到一個固定的位置,減小機械結(jié)構(gòu)的破壞，系統(tǒng)在非工作狀態(tài)和天氣異常時都會進入保護模式.本地模式是上位機為主的一種模式，通過485總線相連上位機可以發(fā)送指令讓裝置(下位機)執(zhí)行相應的操作.流程如圖7所示.

圖7　程序流程圖

系統(tǒng)完成一次太陽追蹤后,需要一定的時間間隔再進行下一次追蹤.如果間隔過短,頻繁啟動對電機的壽命會有影響;間隔時間過長,鏡面位置偏離會增多,發(fā)電效率受到影響.根據(jù)估算,太陽位置變化為每分鐘約0.2 °,本文設(shè)計讓控制系統(tǒng)1 min執(zhí)行一次追蹤,減少了電機啟動次數(shù),同時也保證了追蹤的精度.

由圖2可知,太陽的方位(方位角的變化)在中午時刻變化最快，因此，考慮在中午時刻(11:00—13:00)提高追蹤頻率,讓控制器30 s追蹤一次,其他時間不變,以減小追蹤誤差.

4實驗結(jié)果與分析

為了驗證系統(tǒng)設(shè)計的精確度和可靠性,利用現(xiàn)有的機械實驗裝置進行實驗,如圖8所示.經(jīng)過一段時間的運行,光伏裝置的發(fā)電效率比較穩(wěn)定.利用上位機與控制系統(tǒng)進行modbus485通訊2 d,每隔1 min記錄1次,分別得出2015年5月20日與21日9:00—15:00裝置實際的高度角和方位角,同理論的太陽位置的高度角、方位角進行比較,得出2 d的高度角和方位角的角度誤差θ4和θ5,如圖9和圖10所示.可以看出，裝置的高度軸誤差最大達到0.3°,方位軸誤差最大不到0.1°.

實驗結(jié)果的誤差主要由機械裝置安裝誤差、電機的過沖、傳動機構(gòu)(回轉(zhuǎn)減速裝置)的傳動誤差、跟蹤時間間隔(追蹤頻率)引起.實驗結(jié)果基本滿足了設(shè)計要求.如果需要進一步提高追蹤的精度,需要對機械裝置的安裝誤差進行矯正,電機和傳動機構(gòu)需要選用精度更高的產(chǎn)品;同時需要進行電機控制程序的調(diào)整,如縮短電機運轉(zhuǎn)的頻率等.

圖8　實驗裝置

圖9　2015年5月20號9:00—17:00點追蹤誤差

圖10　2015年5月21號9:00—17:00追蹤誤差

5結(jié)束語

設(shè)計了一種基于STM32F103RE芯片的光伏雙軸太陽能跟蹤控制系統(tǒng),并對其進行優(yōu)化,采用精準的視日軌跡跟蹤,主要有以下特點:軟件算法層面,采用優(yōu)化后的太陽位置算法ENEA，與之前采用的PSA算法相比，精確度有了很大的提高,計算量卻相差不大;增加了保護模式,減少了機械裝置在惡劣天氣下的損傷;電機控制算法經(jīng)過優(yōu)化，不僅使得追蹤誤差下降,同時電機的啟動次數(shù)減少,對電機有保護作用;同時增加了本地模式,方便上位機對系統(tǒng)裝置的控制,增強了擴展性.

參考文獻：

[1]Sen Z.Solar energy in progress and future research trends[J].Progress in Energy and Combustion Science,2004,30(4):367-416.

[2]竇偉,許洪華,李晶.跟蹤式發(fā)電系統(tǒng)研究[J].太陽能學報,2007,28(2):169-173.

[3]袁濤.H橋功率驅(qū)動電路的設(shè)計研究[D].西安:電子科技大學,2006.

[4]喻金錢.STM32F系列ARM Cortex-M3核微控制器開發(fā)與應用[M].北京:清華大學出版社,2011.

[5]Reda I,Andreas A.Solar position algorithm for solar radiation applications[J].Solar Energy,2004,76(5):577-589.

[6]Roberto Grena.An algorithm for the computation of the solar position[J].Solar Energy,2008,84(5):462-470.

[7]Blanco M M,Padilla A D C,Moratalla L T,et al.Computing the solar vector[J].Solar Energy,2001,70(5):431-441.

(編輯:石瑛)

Dual-Axis Tracking Control Design and Optimization of Solar Concentrator

SHEN Lei,JIANG Chen

(School of Mechanical Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China)

Abstract：In view of the requirement of photovoltaic tracking control for concentrator,a kind of advanced solar dual-axis tracking control system was designed and optimized.In the system a new type of solar position algorithm ENEA(2007) was used and the maximum error of azimuth and zenith is below 0.002 7 °.In the hardware platform,the series of STM32 chip was adopted as the core control system,and the tracking reliability of the motor control was also optimized.The field testing and measurement show that the operation of control system is stable and reliable,and the overall error remains at a low level.

Keywords：STM32 chip; solar position algorithm; dual-axis tracking

中圖分類號：TP 273

文獻標志碼：A

通信作者：姜晨(1978-)男,副教授.研究方向:精密加工與檢測、控制系統(tǒng).E-mail:jc_bati@163.com

收稿日期：2015-08-02

DOI：10.13255/j.cnki.jusst.2016.02.014

文章編號：1007-6735(2016)02-0177-05

第一作者： 沈磊(1990-),男,碩士研究生.研究方向:太陽能控制系統(tǒng).E-mail:shenlei820843@163.com