孔麗晶，曹藝嚴，石鴻基，鄭晅麗，陳曉航，吳志明

(廈門大學 物理系，福建 廈門 361005)

基于LabVIEW控制的小型太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng)

孔麗晶，曹藝嚴，石鴻基，鄭晅麗，陳曉航，吳志明

(廈門大學 物理系，福建 廈門 361005)

根據(jù)視日運動軌跡跟蹤算法，以步進電機為執(zhí)行機構，設計了基于LabVIEW和串口控制的太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng). 該系統(tǒng)通過計算機串口控制步進電機，帶動太陽電池板實時、自動地跟蹤太陽. 該設計提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉換效率.

太陽能發(fā)電；跟蹤系統(tǒng)；LabVIEW

太陽能作為一種綠色、可再生能源，其開發(fā)利用對緩解日益嚴峻的能源危機有著十分重要的意義. 然而，由于成本較高，光伏發(fā)電技術目前還未進入主流的電力市場. 為了提高地面光伏發(fā)電競爭力，可以通過聚光發(fā)電的形式，使光伏系統(tǒng)具有更優(yōu)的性價比，而如何以較低的成本，便捷、準確地實現(xiàn)太陽跟蹤是這項技術的關鍵. 太陽跟蹤方式主要分光電式和機械式. 前者為被動跟蹤，受環(huán)境影響較大(尤其在多云或陰雨天時)；后者為主動式，指的是控制信號來自于控制器中預先存儲的與當?shù)亟?jīng)緯度相關的太陽運行軌跡函數(shù)，即視日運動軌跡跟蹤法. 本文采用機械式跟蹤方式，以步進電機作為執(zhí)行機構，基于LabVIEW和串口控制，設計了小型太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng). 研究結果表明：該系統(tǒng)操作方便、運行良好、功能豐富.

1 系統(tǒng)機械結構

太陽能跟蹤系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)轉動部件中所含轉動軸的個數(shù)，可以將跟蹤方式分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤. 由于太陽高度角每天變化不大，因此單軸跟蹤一般都是在東西方向上跟蹤太陽方位角變化，而高度角只作季節(jié)性調整. 雙軸跟蹤則是同時控制系統(tǒng)方位角和高度角，既跟蹤太陽東升西落，又跟蹤太陽在一年四季的仰角變化. 由于雙軸跟蹤精度較高，故其發(fā)電量一般會比單軸高10%，但其系統(tǒng)構成相對復雜，成本和能耗也高[1]. 考慮到系統(tǒng)造價、維護成本，以及實際的使用環(huán)境，本項目采用性價比相對較高的單軸跟蹤方式，因此只需1臺步進電機，且步進電機的選型及其安裝位置考慮了系統(tǒng)的可行性及其能量消耗. 圖1為發(fā)電系統(tǒng)的機械結構，全框架所用材料具有良好的散熱性能[2].

圖1 發(fā)電系統(tǒng)機械構架

2 硬件電路設計

用計算機控制步進電機一般的做法是在其擴展槽上安裝步進控制卡，這種方法不僅成本較高，而且不便于操作. 近年來，出現(xiàn)了將計算機串口進行二次開發(fā)，用于電機控制的技術，具有成本低、操作簡單、兼容性好等優(yōu)點[3-9].

2.1 RS232串口控制步進電機工作原理

該系統(tǒng)用到的串口見圖2(a)，其發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如圖2(b)所示，大致為：先發(fā)送起始位(邏輯“0”)進行同步，接著按規(guī)定的波特率從低位到高位依次發(fā)送通訊數(shù)據(jù)的各二進制位，最后發(fā)送停止位(邏輯“1”). 可見，通過改變發(fā)送的字節(jié)數(shù)及所發(fā)送的字節(jié)內容，可在TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))端產生任意數(shù)量的脈沖，而改變波特率可動態(tài)調整發(fā)送脈沖的頻率.

(a) RS232串口

(b) 串口發(fā)送數(shù)據(jù)過程

因此，若由計算機通過RS232接口向步進電機驅動器發(fā)出2路控制信號：一路以TXD信號作脈沖方波信號，控制步進電機的運轉步數(shù)；另一路以RTS信號作方向電平信號，控制電機轉動方向，則僅用1個串口就能夠控制步進電機的運轉[10].

2.2 接口電路設計

由于步進電機驅動器的接口并不是按照串口的標準來設計和連接的，因此，為了將串口引腳與電機驅動器的線路進行匹配，必須設計電平轉換電路，從而實現(xiàn)RS232電平至TTL電平之間的轉換，讓計算機發(fā)出的信號能穩(wěn)定、高效地傳送到電機驅動器上. 圖3為步進電機及其驅動電路的實物連接圖,圖4為串口電平轉換電路.

圖3 步進電機及其驅動電路實物圖

圖4 串口電平轉換電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 軟件設計平臺LabVIEW簡介

LabVIEW是由美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺. 與傳統(tǒng)的C和BASIC等基于文本語言產生代碼的開發(fā)環(huán)境相比，LabVIEW使用的是流程化圖形縮程語言，具有直觀簡單、易于操作的特點，可使沒有豐富編程經(jīng)驗的工程人員從繁重的程序代碼編寫工作中解脫出來，將更多的精力放在測試上[11-14].

3.2 軟件總體結構

太陽跟蹤系統(tǒng)軟件是在LabVIEW 8.20 環(huán)境中開發(fā)完成的，其主界面如圖5所示，主要包括參量初始化、手動調整、自動跟蹤及復位等.

圖5 軟件主界面

程序設計思路是：跟蹤開始前，先對系統(tǒng)參量進行初始化，包括當?shù)氐牡乩斫?jīng)度、緯度、步進電機的步距角、串口資源配置等. 初始化模塊還用來判斷跟蹤系統(tǒng)是否位于機械原點，若不在機械原點則進行復位操作. 首次使用該系統(tǒng)時，需先校正機械系統(tǒng)原點，手動調整太陽電池板，使之正對太陽，并記錄校正時間. 初始化工作完成后，啟動自動跟蹤，系統(tǒng)將自動獲取計算機當前時間，判斷其是否在預設的跟蹤起止時間內. 如果當前時間不在預設的時間范圍內，則系統(tǒng)進入等待狀態(tài)，一段時間后重新判斷當前時間是否滿足跟蹤條件；如果滿足，則系統(tǒng)進入視日運動軌跡跟蹤模式，計算出當前太陽位置與系統(tǒng)位置的差角，調整跟蹤系統(tǒng)位置. 根據(jù)設計，系統(tǒng)每隔1 min計算1次目標位置與當前系統(tǒng)位置的差值，由軟件通過串口控制電機，帶動太陽電池板轉向目標位置. 如此循環(huán)，直至時間到達預設的跟蹤結束時間為止，然后系統(tǒng)自動復位，等待新的一天開始. 系統(tǒng)主程序流程圖見圖6.

圖6 跟蹤系統(tǒng)主程序流程圖

3.3 太陽位置計算

天文學上，太陽的觀測位置可根據(jù)當?shù)氐牡乩砦恢煤蜁r間來確定. 視日運動軌跡跟蹤的原理正是根據(jù)太陽運行軌跡，由天文學公式計算出每一時刻的太陽高度角與方位角參量，再利用計算機帶動跟蹤裝置，實現(xiàn)跟蹤太陽的目的[15-20].

太陽位置計算程序嚴格按照相關天文學公式編制而成. 圖7為廈門大學夏季某日08:57至17:00太陽方位角變化的軟件計算結果.

圖7 太陽方位角變化軌跡

3.4 步進電機控制程序

程序通過屬性節(jié)點設置串口RTS引腳的狀態(tài)并發(fā)送至RTS信號線上，作為控制電機轉動的方向信號；同時將十六進制“FF”通過VISA寫入函數(shù)發(fā)送到TXD引腳上，作為步進脈沖信號，脈沖數(shù)由程序循環(huán)次數(shù)決定. 因方向信號需先行于脈沖信號，故程序采用順序結構加上一定的延時來實現(xiàn). 圖8為示波器實測的TXD(CH1通道)和RTS(CH2通道)引腳信號.

圖8 示波器實測步進脈沖和方向信號

3.5 復位程序

輸入校正時間后，程序自動計算該時刻的太陽方位角并存入文本jfr.txt，作為系統(tǒng)原點位置. 進行復位操作時，利用讀取文本文件函數(shù)將文本jfr.txt和jr.txt中保存的角度值取出作差. 由于運行自動跟蹤模塊時，程序是以即時更新的形式將系統(tǒng)位置對應的角度存入文本jr.txt中，因此，當跟蹤結束后，保留在該文本中的角度值就代表了當前系統(tǒng)的位置. 通過比較校正時系統(tǒng)位置與當前系統(tǒng)位置的角度差，就可以得到電機所需轉動的步數(shù)，然后通過調用相應的電機控制程序，帶動機械系統(tǒng)回零. 復位程序框圖見圖9.

圖9 復位程序框圖

4 結束語

本文從軟、硬件兩方面入手，根據(jù)視日運動軌跡跟蹤算法，通過計算機串口控制步進電機，帶動太陽電池板實時、自動跟蹤太陽，從而提高了太陽電池對太陽光的轉換效率，降低了發(fā)電系統(tǒng)成本. 實驗表明：該系統(tǒng)不論是軟件程序的運算執(zhí)行，還是硬件設備的驅動運行，都基本實現(xiàn)了預期目標.

[1] 許啟明，馮俊偉，宮明. 太陽能利用跟蹤技術的研究進展[J]. 安徽農業(yè)科學，2011，39(10)：6294-6297.

[2] 盧鑫. 基于聚光型光伏模組的太陽跟蹤系統(tǒng)結構設計及性能分析[D]. 長春：長春理工大學，2010.

[3] 楊林，王曉光. Labview控制步進電機[J]. 微計算機信息，2004，34(2):7-8.

[4] 莊瑞榮，吳先球. 基于LabVIEW的步進電機控制[J]. 現(xiàn)代電子技術，2012，35(4)：202-204.

[5] 王繼業(yè). 用串行口控制步進電機兩維運動系統(tǒng)[J]. 微計算機信息，2007，23(7)：130.

[6] 謝其德，張云云. 利用串口實現(xiàn)步進電機的控制[J]. 現(xiàn)代電子技術，2004，27(3)：9-11.

[7] 陳晉瑋,盧道華. 用VC實現(xiàn)PC機串口對步進電機的控制[J]. 微機發(fā)展，2003，13(5)：55-56.

[8] 蔣敬，吳本科，高健，等. 虛擬儀器通過串行接口控制步進電機的設計[J]. 電子科技，2012，25(8)：46-48.

[9] 呂紅英，顧明華，李凌燕，等. 基于LabVIEW的亥姆霍茲線圈磁場自動測量系統(tǒng)[J]. 物理實驗，2014，34(5)：20-23.

[10] 隋振，李明哲，蔡中義，等. 一種直接采用計算機串行口控制步進電機的新方法[J]. 電子技術應用，2002，28(8)：26-28.

[11] 張重雄. 虛擬儀器技術分析與設計[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[12] 陳錫輝，張銀鴻. LabVIEW 8.20 程序設計從入門到精通[M]. 北京：清華大學出版社，2007.

[13] 王力，施蕓城，楊忠杰，等. 基于LabVIEW的鎖相放大器的設計與測量[J]. 物理實驗，2015，35(9)：33-36.

[14] 戴皓珽，倪晨，方愷，等. 基于LabVIEW研究硅光電池特性[J]. 物理實驗，2014，34(10)：18-25.

[15] Cooper P. The absorption of radiation in solar stills [J]. Solar Energy, 1969,12 (3):333-346.

[16] 中國科學院紫金山天文臺. 中國天文年歷仁[M]. 北京：科學出版社，1986.

[17] 馬健,向平,趙衛(wèi)鳳,等. 基于步進電機的太陽跟蹤系統(tǒng)設計[J]. 電力電子技術，2008，42(9)：34-36.

[18] 張文青. 基于虛擬儀器的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研究與設計[D]. 南京：南京理工大學，2011.

[19] 路博. 光伏系統(tǒng)中的高精度太陽跟蹤方法研究[D]. 新鄉(xiāng)：河南師范大學，2012.

[20] 曾利霞. 基于視日運動軌跡的雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)的研究[D]. 武漢：湖北工業(yè)大學，2012.

[責任編輯：尹冬梅]

Sun-tracking solar power system based on LabVIEW

KONG Li-jing, CAO Yi-yan, SHI Hong-ji,ZHENG Xuan-li, CHEN Xiao-hang, WU Zhi-ming

(Department of Physics, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Based on high-precision sun-tracking algorithm and LabVIEW platform, a sun-tracking solar power system was designed with a stepper motor as the executing agency. To automatically drive the solar panel to track the sun in real-time, the system used a computer to control the stepper motor through a serial port. The improved deign had a good human-computer interface, increased the conversion efficiency of the system.

solar power; tracking system; LabVIEW

2016-05-31

孔麗晶(1982-)，女，福建莆田人，廈門大學物理系工程師，碩士，主要從事基礎物理實驗教學和太陽能電池研究工作.

TK513.4

A

1005-4642(2017)04-0011-05

“第9屆全國高等學校物理實驗教學研討會”論文