余蓓敏

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

一種新型太陽(yáng)能跟蹤控制器的設(shè)計(jì)*

余蓓敏

(安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

為解決光伏發(fā)電效率低、成本高等問(wèn)題，本文分析了目前太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)的現(xiàn)狀和弊端，提出了一種四點(diǎn)式雙軸光電跟蹤與數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤相混合的新的跟蹤技術(shù)來(lái)提高光伏發(fā)電效率的方法.光照良好時(shí)采用光電跟蹤模式，光線(xiàn)不佳時(shí)采用數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式，兩種跟蹤模式可以自動(dòng)切換，保證了跟蹤的精確性，大大提高了太陽(yáng)能的發(fā)電效率.這種方法成本低、效果好、精度高、易實(shí)現(xiàn)，可廣泛應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng).

混合跟蹤；光電跟蹤；數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤

1 引言

為提高光伏發(fā)電轉(zhuǎn)換效率，目前，可以從以下兩方面著手解決：一是選取性能優(yōu)良的太陽(yáng)能電池材料，如單晶或多晶硅、薄膜光伏電池等，但這些材料往往成本較高，發(fā)電效率也不理想.二是采用跟蹤控制技術(shù)，盡可能保證電池板與太陽(yáng)光入射方向相互垂直.二者相比，采用跟蹤控制技術(shù)更具有現(xiàn)實(shí)意義.常見(jiàn)的跟蹤方式有以下兩種：一種是天文式跟蹤技術(shù)，即由微處理器根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、時(shí)間等信息來(lái)計(jì)算太陽(yáng)的方位，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，但這種跟蹤技術(shù)受時(shí)間精度影響較大，積累誤差無(wú)法消除，所以跟蹤精度不高；另一種是光電式跟蹤技術(shù)，雖然此技術(shù)跟蹤精度較高，但受天氣影響，極易跟錯(cuò)目標(biāo)或者直接無(wú)法跟蹤.于是，將上述兩種跟蹤模式結(jié)合在一起得到了普遍關(guān)注[1]，但這種結(jié)合模式下的數(shù)據(jù)計(jì)算過(guò)于冗繁，需要配備高性能微處理器，這樣會(huì)加大成本，并且不易于實(shí)現(xiàn).

為此本文提出了一種將光電跟蹤模式和簡(jiǎn)單可行的數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式相結(jié)合的全新的太陽(yáng)能跟蹤控制器，大大提高了光伏轉(zhuǎn)換效率.光照良好時(shí)采用光電跟蹤技術(shù)，發(fā)揮其跟蹤精度高的特點(diǎn)，光照不佳時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式，以實(shí)時(shí)更新數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)保證跟蹤器與太陽(yáng)光的夾角合適，從而提高太陽(yáng)能發(fā)電效率.

2 跟蹤模式分析

光電跟蹤模式主要是利用傳感器裝置來(lái)檢測(cè)太陽(yáng)的高度和方位.在垂直照射的條件下，即各個(gè)方位的強(qiáng)度相同，則輸出信號(hào)為零，若不同，則根據(jù)偏差信號(hào)的正負(fù)和大小決定電池板轉(zhuǎn)動(dòng)的方向和角度，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤[2].此模式跟蹤精度高，但受天氣影響較大.

數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式是利用前一天及時(shí)更新的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)正常工作.當(dāng)天氣狀況不佳、光照弱時(shí)，此模式優(yōu)勢(shì)突顯，不但跟蹤更精確，光伏發(fā)電效率更高，并且實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單方便.

將上述兩種跟蹤模式結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)的混合跟蹤模式是指在光電跟蹤模式時(shí)，記錄太陽(yáng)在高度角和方位角方向上的步進(jìn)電機(jī)脈沖數(shù)，每間隔一段時(shí)間統(tǒng)計(jì)一次，使單片機(jī)EEPROM中的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新并被存儲(chǔ).當(dāng)光照不佳，即低于某采樣電壓時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制，切換到數(shù)據(jù)庫(kù)模式下，用數(shù)據(jù)庫(kù)前一天更新的數(shù)據(jù)來(lái)跟蹤，保證精確度.

3 硬件設(shè)計(jì)

這種新型的太陽(yáng)能跟蹤控制器的硬件系統(tǒng)由風(fēng)速檢測(cè)電路、輸入/輸出模塊、光電檢測(cè)模塊、時(shí)鐘單元模塊、微控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)能電池板構(gòu)成，如圖1所示.

圖1 新型太陽(yáng)能跟蹤控制器硬件設(shè)計(jì)原理框圖

微控制器采用宏晶單片機(jī)，型號(hào)為STC12C5A60S2，主要負(fù)責(zé)控制工作，是整個(gè)系統(tǒng)的核心單元.

風(fēng)速檢測(cè)模塊采用風(fēng)速傳感器，型號(hào)為QS-FS01.當(dāng)風(fēng)速較大時(shí)，系統(tǒng)接收信號(hào)，停止跟蹤工作.當(dāng)風(fēng)速不造成破壞時(shí)，恢復(fù)跟蹤工作.此模塊是整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)單元.

輸入/輸出模塊中的輸入模塊采用A/D轉(zhuǎn)換式按鍵電路，以減少單片機(jī)I/O接口.輸出模塊采用LCD顯示電路，型號(hào)為L(zhǎng)M032，主要用來(lái)顯示測(cè)試數(shù)值與時(shí)間信息，以便于調(diào)整.

光電檢測(cè)模塊采用四點(diǎn)法[3-4]，由四路光電傳感器構(gòu)成，用來(lái)檢測(cè)各個(gè)方向的入射光線(xiàn)與太陽(yáng)能電池板是否垂直.光電檢測(cè)實(shí)際電路主要通過(guò)光電二極管與一高精度電阻串聯(lián)實(shí)現(xiàn)，隨著光照強(qiáng)度的增加，電流變大，電阻分壓增多，故光照強(qiáng)度與A/D采樣值成正比，說(shuō)明電壓型輸出可行.當(dāng)兩路采樣值結(jié)果相同時(shí)，則表明正常，電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不偏轉(zhuǎn).當(dāng)兩路采樣值之差超出一定值時(shí)，則微處理器控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)向較大采樣值一側(cè)偏轉(zhuǎn)，直至兩路采樣值相同.光電檢測(cè)電路原理圖如圖2所示.

圖2 光電檢測(cè)電路原理圖

時(shí)鐘單元模塊采用DS1302時(shí)鐘芯片，該芯片為雙電源供電模式，備用電源充電方式可被設(shè)置，也可被涓流充電[5].

電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用混合式步進(jìn)電機(jī)，型號(hào)為57BYGG262-2004A.由于陽(yáng)光移動(dòng)速度不快，故選用雙極串聯(lián)方式.為了降低成本，提高速度，改善電機(jī)性能，本電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)還加入了高性能細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，型號(hào)為SH-2024.

綜上所述，這種新型太陽(yáng)能跟蹤控制器的電源電路要綜合考慮各組成部分的電源供給，故設(shè)計(jì)如圖3所示.

圖3 新型太陽(yáng)能跟蹤控制器電源電路示意圖

4 軟件設(shè)計(jì)

這種新型太陽(yáng)能跟蹤控制器的軟件系統(tǒng)是將四點(diǎn)光電跟蹤式與數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤式相結(jié)合的一種新模式，整個(gè)程序的流程設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想.設(shè)計(jì)中，時(shí)鐘及各中斷源首先進(jìn)行初始化處理，設(shè)計(jì)看門(mén)狗(WDT)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)故障，便于及時(shí)處理.當(dāng)風(fēng)速過(guò)強(qiáng)時(shí)，進(jìn)行避風(fēng)處理，對(duì)系統(tǒng)加以保護(hù).輸入按鍵模式0為正常，跟蹤時(shí)間為每天的7：00-18：00，檢測(cè)供電，查看是否出現(xiàn)某一時(shí)段的斷電或其他異常情況，如果出現(xiàn)過(guò)異常情況，則進(jìn)行必要的電機(jī)調(diào)整后繼續(xù)光電跟蹤模式，然后判斷光照是否符合光電跟蹤條件，當(dāng)光照不好并低于一定值時(shí)，隨即切換進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式，數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)保持實(shí)時(shí)更新?tīng)顟B(tài)，不管光線(xiàn)好壞，都能保證跟蹤效果的最優(yōu)化.

7：00-18：00時(shí)段外，安徽地區(qū)光照很弱，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能處理，采取固定采光方式，晚上20：00時(shí)對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)位，以便于第二天的良好跟蹤.

綜上所述，混合跟蹤模式程序設(shè)計(jì)主流程圖需包含系統(tǒng)初始化、看門(mén)狗(WDT)、風(fēng)速檢測(cè)、按鍵處理、供電檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電跟蹤處理、數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤處理、跟蹤裝置夜間復(fù)位作業(yè)、閑暇節(jié)能處理等功能模塊.程序流程圖如圖4所示.

圖4 新型太陽(yáng)能跟蹤控制器的程序設(shè)計(jì)流程圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的可以在光電跟蹤模式和數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式間自動(dòng)切換的太陽(yáng)能跟蹤控制器.

當(dāng)天氣好、光照強(qiáng)時(shí)(如晴天)，光電跟蹤模式發(fā)揮作用；當(dāng)天氣不好、光照弱時(shí)(如多云或陰雨天氣)，可自動(dòng)切換到數(shù)據(jù)庫(kù)跟蹤模式，最大程度上保證了太陽(yáng)能電池板的高發(fā)電效率.這種新型太陽(yáng)能跟蹤控制器電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，具有性?xún)r(jià)比高、高速低功耗、抗干擾性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的普及和推廣意義.

[1]黃劍波,樸仁官,郭幫輝，等.一種高精度全天候太陽(yáng)跟蹤儀的設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010,3(3):4-7.

[2]王尚文，高偉，黃樹(shù)紅.混合雙軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置的研究[J]．可再生能源，2007(12):12-13.

[3]廖錦城.計(jì)算機(jī)控制雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)及其偏差檢測(cè)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[4]黃韜.基于模糊控制的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)[D].廣州:中山大學(xué),2009.

[5]達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司.DS1302英文數(shù)據(jù)手冊(cè)[S].

(責(zé)任編輯:王海波)

Design of a New Type of Solar Tracking Controller

YU Bei-min

(DepartmentofElectronicEngineering,AnhuiVocationalCollegeofElectronicsandInformationTechnology,Bengbu,Anhui233030,China)

In order to resolve the problem of low efficiency and high cost in Solar Photovoltaic Generation, a new four-point biaxial solar tracking mode mixed with optical tracking and database tracking is presented after the analysis of the research status and disadvantages for solar tracking controlling technique. The optical tracking mode is at work when the light is strong, otherwise, the database tracking mode works. Automatic switchover between these two modes improves the precision and generating efficiency simultaneously. Due to the advantages of low cost, good effect, high precision and easy to achieve, this mixing tracking mode can be used extensively.

biaxial tracking; optical tracking; database tracking

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.04.001

2015-03-01

余蓓敏，女，安徽廣德人，教師.

TM914.4

A

1008-7974(2015)02-0001-03