楊克立，李 強(qiáng)

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

近年來(lái)能源短缺問(wèn)題成為世界各國(guó)面臨的世界性難題，新能源開(kāi)發(fā)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn).在節(jié)能環(huán)保的主題下，世界各國(guó)都把目光轉(zhuǎn)向太陽(yáng)能這一清潔且極具開(kāi)發(fā)潛力的能源.在我國(guó)，雖然太陽(yáng)能可開(kāi)發(fā)利用資源非常豐富（每年約17 000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量），但光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步較晚，通常是采用太陽(yáng)能電池板固定朝南安裝的方式對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行采集［1］，技術(shù)落后導(dǎo)致其利用率不高，普及也受到限制.在相同的條件下，如果使太陽(yáng)能電池板的法向與太陽(yáng)輻射方向平行，則與朝南固定安裝的太陽(yáng)能接收的能量之比約為3∶1.據(jù)此理論分析可知，如果使太陽(yáng)能電池板的法向始終與太陽(yáng)輻射方向平行，即采用太陽(yáng)跟蹤的方式，則與采用非跟蹤方式的太陽(yáng)能相比能量接收率相差37.7%［2］.因此，在太陽(yáng)能裝置中運(yùn)用精確有效的太陽(yáng)方位自動(dòng)跟蹤技術(shù)將是解決目前我國(guó)太陽(yáng)能利用困境的重要方法之一.

基于精確的方位自動(dòng)跟蹤技術(shù)，可以使太陽(yáng)能的接收效率大大提高.目前光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)正處于研究應(yīng)用中.文獻(xiàn)［3］提出了傾緯度角跟蹤方案，其結(jié)構(gòu)雖然簡(jiǎn)單，但因是單軸跟蹤，接收效率不高；文獻(xiàn)［4］提出了一種時(shí)鐘追蹤方式，該方法雖然采用雙軸追蹤，但是俯仰角的確定涉及到正弦函數(shù)的計(jì)算，若采用數(shù)據(jù)庫(kù)查找的方式，則必須有一個(gè)龐大的專家系統(tǒng)，這也會(huì)增加系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間，使得功耗較高；文獻(xiàn)［5］、［6］提出了四象限傳感器加上時(shí)鐘追蹤雙軸系統(tǒng)的方案，該系統(tǒng)效率雖然很高，但是傳感器裝置存在著安裝及入射角范圍等諸多方面的問(wèn)題，再加上系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，故不利于工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.本文在分析總結(jié)現(xiàn)有跟蹤技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出了一種性能更加優(yōu)越的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng).

1 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)輻射的多少與太陽(yáng)輻射入射光線和光伏電池板法向線之間的夾角（即入射角）有關(guān)，入射角越小，電池板吸收的太陽(yáng)輻射能量就越多.自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)是根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡盡可能調(diào)整電池板法向線空間角度，使入射角無(wú)限接近于零.太陽(yáng)光入射角可分解為高度角和方位角，且隨晝夜和季節(jié)變化.因此，本文采用方位－高度雙軸跟蹤系統(tǒng)，其原理如圖1所示.1、2、3、4和5為五象限電池板，其中2象限與4象限、1象限與3象限均對(duì)稱放置、面積相等且都與5象限保持同樣微小夾角，當(dāng)太陽(yáng)光非垂直照射在5象限電池板上時(shí)，2象限與4象限、1象限與3象限電池板上就會(huì)產(chǎn)生不相等的電壓信號(hào)，信號(hào)被放大后送給單片機(jī)進(jìn)行和差運(yùn)算處理，處理后的2象限與4象限電池板的信號(hào)控制方位角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，1象限與3象限控制高度角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至2象限與4象限、1象限與3象限電池板上產(chǎn)生相等的電壓信號(hào)，即陽(yáng)光非垂直照射在5象限電池板上時(shí)停止.5象限電池板具有雙層特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)異常天氣時(shí)可使系統(tǒng)具有智能判斷及節(jié)能降耗的功能.

圖1 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)原理框圖

2 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)以AT mega16L單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)智能控制，其整體上可分為執(zhí)行系統(tǒng)和反饋系統(tǒng)2部分.其中，執(zhí)行系統(tǒng)具體涉及42H4630步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電路；反饋系統(tǒng)包含2DU10系列硅光電池和放大電路.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示.

2.1 單片機(jī)AT mega16L

圖2 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件框圖

AT mega16L是愛(ài)特梅爾公司生產(chǎn)的一款物美價(jià)廉的單片機(jī)，內(nèi)嵌高性能、低功耗的8位AVR微處理器，采用先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu).芯片內(nèi)部具有1 6KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程FLASH，以及4通道PWM接口，尤其是片內(nèi)外設(shè)8路10位ADC，可以方便地處理來(lái)自外部的模擬輸入信號(hào)［7］.用AT mega16L作為核心控制器，可以方便地處理五象限電池板的輸出信號(hào)并快速地控制步進(jìn)電機(jī)跟蹤動(dòng)作.

2.2 執(zhí)行系統(tǒng)

執(zhí)行系統(tǒng)主要包括步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制電路和五象限電池板機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng).該系統(tǒng)負(fù)責(zé)調(diào)控五象限太陽(yáng)電池板的法線方向.本文選取42H4630款步進(jìn)電機(jī)，利用L297和L298搭建設(shè)計(jì)的步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)控制電路（如圖3所示），可以將步進(jìn)角度進(jìn)行256細(xì)分，實(shí)現(xiàn)精確控制.

五象限電池板機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)如圖4所示.步進(jìn)電機(jī)1和2采用垂直雙軸結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)1負(fù)責(zé)環(huán)繞縱向主軸1轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)方位角調(diào)整；步進(jìn)電機(jī)2負(fù)責(zé)環(huán)繞橫向主軸2轉(zhuǎn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)高度角調(diào)整.2種轉(zhuǎn)動(dòng)的合成必然可以將五象限太陽(yáng)電池板的法向調(diào)整至正對(duì)太陽(yáng)光，從而獲得最大的光照能量.步進(jìn)電機(jī)1固定在底座里面，齒輪1與步進(jìn)電機(jī)1固定連接，齒輪2與主軸1固定連接，主軸1相對(duì)底座可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐軸承選用帶法蘭邊的軸承.支架與主軸1固定連接，步進(jìn)電機(jī)2固定在支架上面，五象限電池板與主軸2固定連接.本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本低.光電傳感單元可以放在五象限電池板的下面，步進(jìn)電機(jī)1和控制單元可以放在底座里面，硬件及控制系統(tǒng)較好的保護(hù)使裝置的安全可靠性較高.

執(zhí)行子系統(tǒng)執(zhí)行光源跟蹤的前提是此時(shí)吸收的光照能量必須超過(guò)某一閾值，否則將不能保證調(diào)整后吸收的總能量與機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)耗能之差值大于不調(diào)整時(shí)所吸收的總能量.在此前提下，太陽(yáng)能吸收效率將達(dá)到峰值.而反饋系統(tǒng)的目的正是為了構(gòu)造閉環(huán)控制以保證這個(gè)前提.

圖3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路圖

圖4 垂直雙軸的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 反饋系統(tǒng)

反饋系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)快速追蹤并低耗地完成閉環(huán)控制的關(guān)鍵，該系統(tǒng)包括時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和防干擾模塊.時(shí)鐘模塊主要由時(shí)鐘芯片DS1302向系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)時(shí)間，該時(shí)間用作啟用跟蹤的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，并可根據(jù)當(dāng)?shù)丶竟?jié)光照情況而定，能夠很大程度上減少追蹤電耗.開(kāi)啟了涓流充電功能之后，在整個(gè)系統(tǒng)斷電的情況下，它能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)重新上電后只需要重新讀取時(shí)間即可.數(shù)據(jù)處理模塊由2DU10系列硅光電池板和電壓信號(hào)放大電路構(gòu)成，主要負(fù)責(zé)將1、2、3、4和5這5個(gè)象限的太陽(yáng)電池板的輸出信號(hào)送微控制器進(jìn)行處理和比較.其中，硅光電池是基于光生伏特效應(yīng)而制成，且具有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)太陽(yáng)光照射在其表面時(shí)，在PN結(jié)的兩端將出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì).當(dāng)太陽(yáng)光非垂直照射在5象限電池板上時(shí)，其余4個(gè)象限獲得的能量將存在差值.為消除這4個(gè)象限的4塊相同型號(hào)的太陽(yáng)能電池板可能存在的參數(shù)差異，在電池板輸出端分別串入4個(gè)503型號(hào)電位器.試驗(yàn)中測(cè)得在正午日光條件下電池板輸出電壓為0.45V，此電壓信號(hào)太小，若要單片機(jī)內(nèi)置A／D處理，必須將信號(hào)放大.其信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)如圖5所示.

防干擾模塊是由判斷光強(qiáng)信號(hào)的5象限的2塊光電池組成，如圖6所示，左邊光電池板接收太陽(yáng)輻射，右邊光電池板受光面背光.左光電池可以實(shí)現(xiàn)判斷太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度的目的：在直射輻射較弱時(shí)，將信號(hào)回饋給單片機(jī)，不啟動(dòng)跟蹤程序，從而避免多云天氣的盲目跟蹤，節(jié)約電能.右光電池的作用為：當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間陰天或多云轉(zhuǎn)晴后太陽(yáng)重新出現(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)判斷太陽(yáng)直射輻射的強(qiáng)度，將信號(hào)回饋給單片機(jī)，以決定是否啟動(dòng)跟蹤程序.

3 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 程序設(shè)計(jì)流程

主程序設(shè)計(jì)流程示意圖如圖7所示.AT mega16L單片機(jī)在五象限電池板轉(zhuǎn)換輸出電壓大于閾值1時(shí)便進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)轉(zhuǎn)換輸出電壓小于閾值1時(shí)，通過(guò)電壓比較器邊沿觸發(fā)中斷喚醒單片機(jī)進(jìn)入正常模式.在正常模式工作狀態(tài)下，只有4個(gè)象限轉(zhuǎn)換電壓兩兩間最大差值超過(guò)閾值2時(shí)，才會(huì)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行子系統(tǒng)進(jìn)入跟蹤算法，否則微控制器保持靜止以減小功耗.

圖5 五象限電池板輸出信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)圖

3.2 跟蹤算法

四象限電池板的具體位置如圖1所示.其中，2象限與4象限用于比較方位角，構(gòu)成A組；1象限與3象限用于比較高度角，構(gòu)成B組.在調(diào)整前首先要找出輸出電壓之差比較大的那一組（假設(shè)為B組），然后比較B組2個(gè)象限的電壓值.如果1象限與3象限的電壓差值大于閾值，調(diào)整高度角電機(jī)，再比較1象限與3象限的電壓值，直到兩個(gè)電壓的差值小于閾值為止.這樣做的目的是找出電壓差值大的那一組，則可知在此方向上的電池板角度更需要調(diào)整，以使電池板更早地進(jìn)入發(fā)電狀態(tài).在經(jīng)過(guò)高度角的調(diào)整之后，再比較另一組（A組）電壓，如果電壓差值大于閾值，調(diào)整方位角電機(jī)，再比較2象限與4象限的電壓值，直到兩個(gè)電壓的差值小于閾值為止.跟蹤算法流程如圖8所示.經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，證實(shí)這種跟蹤算法比較高效.

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

2011年9月18日，作者運(yùn)用此裝置進(jìn)行了太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤測(cè)量太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的試驗(yàn).為驗(yàn)證其自動(dòng)追蹤效果，采用2只同樣的測(cè)量輻射計(jì)，從6∶00到20∶00實(shí)測(cè)太陽(yáng)的輻射強(qiáng)度.一只安裝在采用了太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的太陽(yáng)能電池板上，另一只安裝在朝南35°固定安裝的太陽(yáng)能電池板上.測(cè)量輻射計(jì)與數(shù)據(jù)記錄儀相連，數(shù)據(jù)記錄儀與電腦連接，每5min記錄1次數(shù)據(jù).在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，天氣晴朗無(wú)云.試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.其中■表示自動(dòng)追蹤太陽(yáng)能電池板上的輻射計(jì)數(shù)據(jù)，●表示固定朝南35°太陽(yáng)能電池板上的輻射計(jì)數(shù)據(jù).從圖9可以明顯看出，運(yùn)用本裝置可顯著提高太陽(yáng)能利用率30%以上.

圖8 跟蹤算法流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

圖9 2種太陽(yáng)能利用裝置的太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)曲線

本文所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)采用垂直雙軸機(jī)械結(jié)構(gòu)，以五象限光電池作為太陽(yáng)跟蹤誤差校正用傳感器，AT mega16L作為核心控制器，能晝夜自動(dòng)控制，全天自動(dòng)追蹤，天氣異常時(shí)可自動(dòng)識(shí)別.閉環(huán)系統(tǒng)和低功耗設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定、精確與節(jié)能.理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，本裝置能夠顯著提高太陽(yáng)能利用率，具有較高的實(shí)用價(jià)值.

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