可用于浮臺(tái)的太陽(yáng)能光伏自動(dòng)追蹤裝置研制

焦亞杰，張 敏，李東波

(1.南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.南京波思途智能科技股份有限公司，江蘇 南京 211100)

1 太陽(yáng)能的利用

太陽(yáng)能，是指太陽(yáng)的熱輻射能，就是常說(shuō)的太陽(yáng)光線(xiàn)[1]。從我國(guó)現(xiàn)階段的太陽(yáng)能發(fā)電成本來(lái)看,其花費(fèi)在太陽(yáng)電池組件的費(fèi)用為60%～70%,太陽(yáng)能電池板發(fā)電量取決于接收到的太陽(yáng)能輻射量,提高太陽(yáng)能的利用效率可以顯著降低成本。光伏自動(dòng)追蹤方式可以充分有效地利用太陽(yáng)能[2]。追蹤控制方式分為兩類(lèi)：光電控制和時(shí)空控制。光電控制是由光敏元件檢測(cè)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行追蹤，時(shí)空控制根據(jù)地理位置以及實(shí)時(shí)時(shí)間算出太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從而進(jìn)行追蹤。時(shí)空控制又可以分為單軸追蹤和雙軸追蹤：?jiǎn)屋S追蹤只對(duì)太陽(yáng)方位角或高度角進(jìn)行追蹤，雙軸追蹤對(duì)兩者都進(jìn)行追蹤。兩種追蹤方式都可以顯著提高太陽(yáng)能利用效率。如圖1所示,在美國(guó)亞利桑那州測(cè)得單軸追蹤比固定式安裝所接受的太陽(yáng)能輻射量高40%左右[3]。

圖1 太陽(yáng)能輻射量對(duì)比

本文設(shè)計(jì)了一款基于立柱式的單軸太陽(yáng)能角度追蹤控制裝置，太陽(yáng)的位置信息可以用方位角和高度角來(lái)表示。由于浮臺(tái)在水面上容易發(fā)生水平偏轉(zhuǎn)，因此太陽(yáng)方位角難以追蹤，本文擬用4片太陽(yáng)能電池板來(lái)減小太陽(yáng)方位角對(duì)吸收太陽(yáng)輻射量的影響，并且設(shè)計(jì)鉸鏈結(jié)構(gòu)，利用電機(jī)推桿推動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板傾斜角的調(diào)節(jié)來(lái)對(duì)太陽(yáng)高度角進(jìn)行追蹤[4-6]。該裝置以STM32F103RCT6為主控芯片。

普通時(shí)空追蹤方式具體為當(dāng)太陽(yáng)高度角與電池板傾斜角的余角滿(mǎn)足一定條件時(shí)，便控制追蹤裝置調(diào)整到與當(dāng)前太陽(yáng)光線(xiàn)垂直的位置。此種方法存在弊端，太陽(yáng)高度角在日出日落的時(shí)候變化速率快，到達(dá)正午時(shí)變化的速率減至最小，而追蹤裝置的運(yùn)行需要一定的時(shí)間，因此當(dāng)太陽(yáng)能電池板運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，太陽(yáng)已經(jīng)運(yùn)動(dòng)到了下一個(gè)位置，理論上太陽(yáng)位置將會(huì)一直超前于光伏位置?；诖?，本文設(shè)計(jì)了一種新型的追蹤控制方法來(lái)消除這種現(xiàn)象。

2 追蹤裝置初始設(shè)計(jì)

2.1 高度角的計(jì)算

太陽(yáng)能電池板的方位角是電池板垂直面與正南方向的夾角(向東偏設(shè)定為負(fù)角度,向西偏設(shè)定為正角度)。由于浮臺(tái)本體在水面會(huì)由于水流的流動(dòng)以及外界天氣如狂風(fēng)等發(fā)生旋轉(zhuǎn)，因此追蹤方位角難度極大并且準(zhǔn)確性較低，針對(duì)這個(gè)情況，擬選用4片太陽(yáng)能電池板，水平面對(duì)稱(chēng)軸依次相差90°，以達(dá)到最大程度被太陽(yáng)光線(xiàn)覆蓋的目的。傾斜角是太陽(yáng)能電池板平面與水平地面的夾角，本文采用單軸鉸鏈機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)該角度。

太陽(yáng)高度角與太陽(yáng)能電池板傾斜角的和為90°。太陽(yáng)高度角H與太陽(yáng)赤緯角δ、太陽(yáng)時(shí)角t、太陽(yáng)板安裝所在地的地理緯度φ有關(guān)系，計(jì)算公式為:

sinH=sinφsinδ+cosφcosδcost

(1)

太陽(yáng)赤緯角可由式(2)計(jì)算得出：

(2)

式中：n為積日，即從元月一日算起到當(dāng)前日子的天數(shù)總和，如二月的最后一天在平年時(shí)n=59,閏年時(shí)n=60。

太陽(yáng)時(shí)角規(guī)定每個(gè)小時(shí)為15°，并且在正午時(shí)時(shí)角為0°，上午時(shí)為負(fù)，下午時(shí)為正，如11：00時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角為-15°，13：00時(shí)的時(shí)角為15°，太陽(yáng)時(shí)角的計(jì)算公式為

t=(T-12)×15°

(3)

式中：T為換算成小時(shí)的時(shí)間。T的換算公式為

(4)

式中：h為當(dāng)前小時(shí)數(shù)；m為當(dāng)前分鐘數(shù)；s為當(dāng)前秒數(shù)。由式(1)～(4)可以求出太陽(yáng)高度角，進(jìn)一步可以得到太陽(yáng)能電池板的傾斜角，從而由追蹤裝置控制太陽(yáng)能電池板傾斜角改變與太陽(yáng)高度角互余。

由于光照時(shí)間在不同的季節(jié)時(shí)長(zhǎng)不同，因此需要計(jì)算日出日落時(shí)間來(lái)確定太陽(yáng)能電池板追蹤裝置是否需要工作，可由日出日落的時(shí)角來(lái)轉(zhuǎn)換出日出日落時(shí)間得到工作時(shí)區(qū)，由當(dāng)?shù)鼐暥扰c太陽(yáng)赤緯角求得日出時(shí)角ω出:

ω出=arccos(-tanφtanδ)

(5)

則日出時(shí)間T出計(jì)算公式為

(6)

日落時(shí)間T落計(jì)算公式為

T落=24-T出

(7)

2.2 追蹤方式的改進(jìn)及仿真

為了便于理解，設(shè)追蹤裝置的角度為太陽(yáng)能電池板傾斜角的余角。當(dāng)檢測(cè)到太陽(yáng)高度角與追蹤裝置的角度差達(dá)到所設(shè)定的閾值Δθ時(shí)，控制追蹤裝置轉(zhuǎn)動(dòng)2Δθ，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)后光伏位置超前于太陽(yáng)位置，待下次太陽(yáng)位置超前于追蹤裝置Δθ時(shí)，繼續(xù)此次操作，使得追蹤裝置停止的每個(gè)時(shí)區(qū)內(nèi)都經(jīng)歷了位置由超前到滯后的過(guò)程。具體過(guò)程如圖2所示。

圖2 改進(jìn)后的追蹤方式

圖中，θg1為追蹤裝置前一時(shí)刻所在的角度，θt1為太陽(yáng)高度角，此時(shí)兩者差值達(dá)到所設(shè)定的閾值Δθ時(shí)，追蹤裝置開(kāi)始運(yùn)動(dòng)2Δθ，位置角度到達(dá)θg2，因?yàn)樽粉櫻b置運(yùn)動(dòng)需要時(shí)間，且電機(jī)推桿的特性為負(fù)載越大速度越慢，因此追蹤裝置運(yùn)動(dòng)后的太陽(yáng)位置為θt，此次追蹤運(yùn)動(dòng)完成。待太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)到θt2時(shí)重復(fù)此次運(yùn)動(dòng)。

對(duì)南京地區(qū)(北緯32°)，冬至日(積日355)采用改進(jìn)之后的追蹤方法進(jìn)行效果仿真，設(shè)閾值為1.5°，忽略追蹤裝置運(yùn)動(dòng)所花費(fèi)的時(shí)間，分別得到太陽(yáng)高度角與追蹤裝置的角度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)，如圖3所示。由圖可知，追蹤裝置每次停頓的區(qū)間都經(jīng)歷了位置相對(duì)于太陽(yáng)高度角由超前至滯后的過(guò)程。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單與降低成本的因素，本文采用電動(dòng)推桿的方式調(diào)整太陽(yáng)能電池板的傾斜角，整體裝置如圖4所示。

1—頂板；2—太陽(yáng)能電池板；3—底板；4—支撐架；5—電機(jī)推桿；6—推動(dòng)桿；7—推桿連接盤(pán)；8—合頁(yè)

裝置由4片太陽(yáng)能電池板構(gòu)成整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)，每個(gè)太陽(yáng)能電池板與頂板之間由兩個(gè)合頁(yè)結(jié)構(gòu)連接，便于太陽(yáng)能電池板在垂直面的翻轉(zhuǎn)，動(dòng)力機(jī)構(gòu)選擇可以自由定制行程與推力的電機(jī)推桿，為整個(gè)追蹤機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。電機(jī)推桿與連接盤(pán)固定，連接盤(pán)上為4個(gè)鉸鏈機(jī)構(gòu)。推動(dòng)桿與連接盤(pán)間、推動(dòng)桿與太陽(yáng)能電池板間均為鉸鏈機(jī)構(gòu)。以推動(dòng)4片太陽(yáng)能電池板做俯仰運(yùn)動(dòng)來(lái)追蹤太陽(yáng)高度角。頂板與支撐架均由輕質(zhì)鋁合金構(gòu)成以固定整個(gè)裝置。

3.1 合頁(yè)結(jié)構(gòu)

合頁(yè)通常是指保持門(mén)窗打開(kāi)或關(guān)閉時(shí)做轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置，屬于帶轉(zhuǎn)軸的體系。在此處選擇的合頁(yè)為抽芯合頁(yè)。每片太陽(yáng)能電池板與頂板左右各有一個(gè)合頁(yè)裝置可輕易使太陽(yáng)能電池板發(fā)生偏轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 合頁(yè)結(jié)構(gòu)

3.2 俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

俯仰旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是光伏自動(dòng)追蹤裝置的核心部分，頂板由合頁(yè)結(jié)構(gòu)連接4片太陽(yáng)能電路板，且頂板與底板間由4個(gè)支撐架固定，由電機(jī)推桿驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行俯仰運(yùn)動(dòng)，由于電機(jī)推桿有自鎖功能，因此裝置受風(fēng)力影響較小。由太陽(yáng)能電池板的傾斜角可以推算出電機(jī)推桿的高度，具體推算過(guò)程可由縱剖面圖得出，縱剖面圖如圖6所示。

圖6 驅(qū)動(dòng)裝置剖面圖

圖中，l1為頂板長(zhǎng)度的一半，l2為太陽(yáng)能電池板長(zhǎng)度的一半，l3為推動(dòng)桿的長(zhǎng)度，l4為推動(dòng)桿到電機(jī)推桿的水平距離，已知l2與水平軸線(xiàn)的夾角α即為太陽(yáng)能電池板的傾斜角，可以推算出連接盤(pán)與頂板的距離h，因?yàn)轫敯宓降匕宓木嚯x不變，所以可以求出電機(jī)推桿的總長(zhǎng)度，從而可以求出推桿所需伸縮的距離。添加輔助線(xiàn)可以得到圖7。

已知α可由太陽(yáng)高度角計(jì)算公式求出，如果求出l3與水平軸線(xiàn)的夾角β即可得到h，β的求解公式為

(8)

知道兩個(gè)夾角即可以求出h：

h=l2sinα+l3sinβ

(9)

3.3 電機(jī)推桿的選擇

電動(dòng)推桿是一種新型的電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其主要由電機(jī)、推桿、控制裝置等機(jī)構(gòu)組成，一般自帶行程開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制、集中控制，具有體積小、精度高、完全同步、自鎖性能好等優(yōu)點(diǎn)。電機(jī)推桿超過(guò)最大推力時(shí)，推桿會(huì)自動(dòng)停止工作進(jìn)行自我保護(hù)，能達(dá)到的最大推力為6 000 N,最大行程為1 500 mm。為了使太陽(yáng)能電池板可以在10°～80°之間翻轉(zhuǎn)，應(yīng)通過(guò)求出當(dāng)α分別為10°與80°時(shí)推桿的長(zhǎng)度之差來(lái)選擇較為合適的電動(dòng)推桿行程。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)主要包括GPS模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、電機(jī)推桿驅(qū)動(dòng)模塊等。遵循成本低、控制方便、性能可靠等原則，太陽(yáng)能電池板自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的硬件框圖如圖8所示。

圖8 硬件電路框圖

各部分的主要功能如下。

GPS模塊：得到所在位置的地理信息，為太陽(yáng)高度角的計(jì)算提供當(dāng)?shù)氐木暥葏?shù)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊：提供實(shí)時(shí)時(shí)間，為太陽(yáng)赤緯角以及太陽(yáng)時(shí)角的計(jì)算提供參數(shù)。

中斷電路：便于電機(jī)推桿的控制，方便調(diào)試。

電機(jī)推桿控制電路：控制電機(jī)推桿到達(dá)準(zhǔn)確位置。

4.1 GPS模塊

選用的GPS接收機(jī)GR-87是一個(gè)高效能、低耗電的智慧型衛(wèi)星接收模組，它采用美國(guó)瑟孚公司設(shè)計(jì)的第三代衛(wèi)星定位接收晶片，晶片內(nèi)建200 000個(gè)衛(wèi)星追蹤運(yùn)算器，大幅提高搜尋及運(yùn)算衛(wèi)星訊號(hào)能力。GR-87采用+5 V供電，具有一個(gè)TTL串行接口，可以通過(guò)串行接口與主控制器芯片直接相連，十分方便，電路如圖9所示。

圖9 GPS模塊

4.2 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

太陽(yáng)時(shí)角的計(jì)算需要得到精準(zhǔn)的實(shí)時(shí)時(shí)間，因此需要一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊為主控制器芯片提供準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)間。DS1302是 DALLAS(達(dá)拉斯)公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內(nèi)含有1個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘和31字節(jié)靜態(tài)RAM，通過(guò)簡(jiǎn)單的串行接口與單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路提供秒、分、時(shí)、日、月、年信息，可通過(guò) AM/PM 指示決定采用24 h或12 h格式。DS1302與單片機(jī)之間能簡(jiǎn)單地采用同步串行的方式進(jìn)行通信。模塊采用雙電源供電，當(dāng)主電源比備用電源高0.2 V時(shí)，由主電源供電，否則采用備用電源，一般是一個(gè)紐扣電池。VCC1連接電源+5 V，VCC2連接備用電源，X1,X2引腳連接晶振，為芯片提供脈沖，與主控制器芯片的連接為SCLK、I/O、RST3條線(xiàn)，具體時(shí)鐘電路如圖10所示。

圖10 實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路

4.3 電機(jī)推桿控制模塊

本文選用自帶電位計(jì)的電機(jī)推桿，電位計(jì)可以用來(lái)反饋電機(jī)電阻的大小，從而反映推桿的行程位置，最終達(dá)到控制推桿在行程中任一位置的目的。電機(jī)推桿所用驅(qū)動(dòng)方式為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)推桿正常上電時(shí)，電機(jī)推桿上升，當(dāng)電源正負(fù)極反接時(shí)，電機(jī)推桿下降，達(dá)到控制電機(jī)推桿伸縮的目的。用兩個(gè)繼電器來(lái)控制電機(jī)推桿中直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。因單片機(jī)電流較小，不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，因此采用如圖11所示的功率驅(qū)動(dòng)。三極管有著開(kāi)關(guān)和放大電流的作用，并接一個(gè)二極管保護(hù)電路。

圖11 電機(jī)推桿控制模塊

4.4 中斷電路

中斷電路用于手動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)推桿內(nèi)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，共有兩個(gè)按鈕，每個(gè)電路都由1個(gè)下拉電阻與1個(gè)按鈕組成，當(dāng)按鈕按下時(shí)，電路接通，直流電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。如圖12所示。

圖12 中斷電路

5 追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏自動(dòng)追蹤裝置工作時(shí)間為太陽(yáng)的光照時(shí)期，即工作時(shí)間范圍為日出時(shí)間至日落時(shí)間。當(dāng)時(shí)間在日出時(shí)間之前或者日落時(shí)間之后，保持太陽(yáng)能電池板處于初始位置(傾斜角80°)，如果時(shí)間在光照時(shí)間內(nèi)則進(jìn)入追蹤程序，若不在光照時(shí)間內(nèi)則過(guò)一段時(shí)間再次進(jìn)行判定，程序結(jié)構(gòu)框圖如圖13所示。

圖13 驅(qū)動(dòng)裝置工作判定

總體程序需要實(shí)現(xiàn)的功能：GPS信息篩選，為太陽(yáng)高度角的計(jì)算提供準(zhǔn)確的緯度信息；通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)推桿的伸縮長(zhǎng)度來(lái)改變太陽(yáng)能電池板的傾斜角，便于追蹤設(shè)置的調(diào)試；由當(dāng)?shù)氐木暥刃畔⒁约皩?shí)時(shí)時(shí)間求出太陽(yáng)赤緯角與太陽(yáng)時(shí)角，進(jìn)而得到太陽(yáng)高度角，進(jìn)一步得到推桿所需伸縮的長(zhǎng)度，由電機(jī)推桿控制電路控制電機(jī)推桿伸縮到指定位置，完成太陽(yáng)能電池板追蹤行動(dòng)。程序的大致流程圖如圖14所示。

圖14 追蹤流程圖

設(shè)置閾值為1.5°，當(dāng)太陽(yáng)位置與追蹤裝置角度差大于1.5°時(shí)，太陽(yáng)能光伏自動(dòng)追蹤裝置開(kāi)始工作，使電機(jī)推桿運(yùn)動(dòng)由計(jì)算得來(lái)的伸縮距離完成追蹤。太陽(yáng)高度角在一天的光照時(shí)段里先增大后減小，因此電機(jī)推桿上午向上伸，下午向下縮，最終位置應(yīng)在初始位置附近。

完成整個(gè)裝置的調(diào)試之后，對(duì)南京地區(qū)(北緯32°)5月1日(積日121)9：00和13：00進(jìn)行電機(jī)推桿高度測(cè)量，將電機(jī)推桿高度轉(zhuǎn)換為追蹤裝置角度，每6 min測(cè)試一次，并與由公式(1)計(jì)算得出的太陽(yáng)高度角進(jìn)行比較，如圖15所示。

圖15 太陽(yáng)高度角對(duì)比

由圖可知，有些時(shí)段誤差超過(guò)1.5°，推測(cè)誤差較大的原因可能為風(fēng)力的影響或公式計(jì)算存在較大誤差。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文主要的研究?jī)?nèi)容及成果歸納如下：根據(jù)追蹤裝置的剖面圖得到與高度角有關(guān)的運(yùn)動(dòng)模型，將角度的變化歸納為電機(jī)推桿的高度變化；根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，提出了一種優(yōu)化后的追蹤方式并得到仿真圖像，驗(yàn)證了其可行性；控制方面，設(shè)計(jì)了以STM32為核心的電路結(jié)構(gòu)，并完成了嵌入式系統(tǒng)的編寫(xiě)調(diào)試。由于個(gè)人水平與時(shí)間的關(guān)系，仍存在著許多不足之處：對(duì)于方位角的影響只是簡(jiǎn)單的用4片電路板來(lái)抵消，仍存在著較大的影響，應(yīng)采用更加精密的方法；追蹤控制算法較為簡(jiǎn)單，應(yīng)采用更加復(fù)雜、智能的控制方法；外界影響因素如風(fēng)力、陰影等沒(méi)有考慮在內(nèi)。后續(xù)應(yīng)當(dāng)改進(jìn)。