太陽能電站自動跟蹤式控制系統(tǒng)的設(shè)計

徐 劍

山東輕工業(yè)學院，山東 濟南 250353

0 引言

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，豐富的太陽輻射能是重要的能源，是取之不盡、用之不竭的、無污染、廉價、人類能夠自由利用的能源，因此太陽能光伏發(fā)電以系統(tǒng)是一個重要的發(fā)展方向。只有光伏組件能夠時刻正對太陽，效率才會達到最佳狀態(tài)，所以需要太陽能電站自動跟蹤式控制系統(tǒng)來完成。

1 太陽能電站自動跟蹤式控制系統(tǒng)的組成

1.1 光傳感器的設(shè)計

利用硅電池片的光電特性，采用硅電池片作為光感元件，研制太陽能光控跟蹤器。

1.1.1 光傳感器設(shè)計結(jié)構(gòu)

光傳感包括3個部分，水平傳感器、仰俯傳感器、光強傳感器。其中仰俯傳感器、水平傳感器結(jié)構(gòu)相同，擺放位置不同；光強傳感器與前兩個傳感器機構(gòu)相似，圖1為仰俯傳感器、水平傳感器的原理圖，圖2為光強傳感器的原理圖。

圖1

圖2

圖1中兩個受光面1、2各貼放一個硅電池片，可以接受從空中透過的光。A部分為涂黑遮光處，以避免漫反射光對硅電池片的干擾。在兩個A部分中間為透明，面積大小為硅電池片面積的大小，這樣可以準確捕捉到光，準確無誤不受干擾。在受光面1、2的保留傾角α可以更好的提高捕捉靈敏度。

圖2中受光面1貼放一個硅電池片，接受從空中透過的光直接檢測光的強度。

1.1.2 工作原理

圖3

圖3為3個傳感器的安裝示意圖，當光強傳感器中硅電池片5輸出的電壓信號超出設(shè)定的光控工作值時，控制器啟動光控程序，根據(jù)水平傳感器與仰俯傳感器輸出地信號調(diào)整電機工作，直至水平傳感器與仰俯傳感器輸出平衡信號，停止電機動作。

當陽光照射到水平傳感器中硅電池片1時，硅電池片1與硅電池片2同時輸出電壓信號，但是硅電池片1的電壓遠高于硅電池片2的電壓。兩個電壓通過差動放大電路后輸出參考電壓，控制器便可根據(jù)這個參考電壓判斷陽光入射的方向。將參考電壓的平衡值設(shè)為2.5V,當陽光照射到硅電池片1時，參考電壓輸出4.8V,超出平衡值，控制器根據(jù)這個條件控制電機向右運行。當陽光照射到硅電池片2時，參考電壓輸出0.4V，低于平衡值，控制器根據(jù)這個條件控制電機向左運行。當硅電池片1與硅電池片2輸出電壓達到平衡時，即參考電壓達到平衡值，控制器停止輸出電機運行信號。

同理，當陽光照射到硅電池片3時，參考電壓輸出4.5V,超出平衡值，控制器根據(jù)這個條件控制電機向下運行。當陽光照射到硅電池片4時，參考電壓輸出0.6V,低于平衡值，控制器根據(jù)這個條件控制電機向上運行。當硅電池片3與硅電池片4輸出電壓達到平衡時，即參考電壓達到平衡值，控制器停止輸出電機運行信號。

1.2 調(diào)理電路的設(shè)計

由于光傳感器的空間有限，所以選用的硅電池片面積大約在10mm×10mm左右。電池片在AM1.5條件下，大約輸出電壓400mV，如果采取直接AD采樣，線損較大。然而采取先通過差動放大電路，后通過壓/頻轉(zhuǎn)換，則比較穩(wěn)妥可靠，受外界的干擾比較小。

1）使用AD620組成差動放大電路，提高放大精度與可靠性。

2）使用LM331組成壓/頻轉(zhuǎn)換電路，將1V電壓輸入調(diào)整為1KHz頻率輸出。

通過以上的電路只要控制器捕捉仰俯傳感器、水平傳感器的輸出頻率不為2.5KHz，就輸出相應(yīng)方向的命令控制電機動作。而光強傳感器通過運放放大信號后設(shè)定180mV的電壓輸出為2.0KHz，只要超出這個值就進入光控狀態(tài)，否則控制器不輸出控制命令，減少自身能耗。

1.3 控制器設(shè)計

1）單片機介紹

控制器采用的單片機為Microchip的PIC18F4620，精簡指令使其執(zhí)行效率大為提高，抗干擾性強。

2）單片機系統(tǒng)框圖

由圖可知，當3個傳感器把信號通過調(diào)理電路提供給單片機，單片機根據(jù)頻率判斷當前太陽光入射方向，輸出相應(yīng)的電機調(diào)整命令，控制驅(qū)動電機，達到準確跟蹤效果。

3）單片機程序流程圖

3 實驗結(jié)果

該系統(tǒng)通過試驗測試，在太陽能發(fā)電中，相同條件下（同經(jīng)緯度、同電池板功率），采用自動跟蹤式的發(fā)電設(shè)備要比固定式的發(fā)電設(shè)備效率提高情況42%，

4 結(jié)論

本文所設(shè)計的太陽能電站自動跟蹤式控制系統(tǒng)可以精確的對太陽的方位和高度角進行實時自動跟蹤，既確保了對跟蹤精度的要求，消除因季節(jié)變化而產(chǎn)生的積累誤差，同時具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、適用性強等特點。即使是在天氣變化比較復雜的情況下,系統(tǒng)也能正常工作, 提高太陽能的利用效率。也可從電池板直接獲取電能, 而無需另外輸入能量, 本系統(tǒng)也可用于其它太陽能利用裝置。

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