一種太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

楊克立，李 強(qiáng)

（中原工學(xué)院，鄭州450007）

近年來能源短缺問題成為世界各國面臨的世界性難題，新能源開發(fā)是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn).在節(jié)能環(huán)保的主題下，世界各國都把目光轉(zhuǎn)向太陽能這一清潔且極具開發(fā)潛力的能源.在我國，雖然太陽能可開發(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，通常是采用太陽能電池板固定朝南安裝的方式對太陽能進(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，如果使太陽能電池板的法向與太陽輻射方向平行，則與朝南固定安裝的太陽能接收的能量之比約為3∶1.據(jù)此理論分析可知，如果使太陽能電池板的法向始終與太陽輻射方向平行，即采用太陽跟蹤的方式，則與采用非跟蹤方式的太陽能相比能量接收率相差37.7%［2］.因此，在太陽能裝置中運(yùn)用精確有效的太陽方位自動(dòng)跟蹤技術(shù)將是解決目前我國太陽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

太陽能電池板吸收太陽輻射的多少與太陽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，使入射角無限接近于零.太陽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電池板的法向調(diào)整至正對太陽光，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)太陽光照射在其表面時(shí)，在PN結(jié)的兩端將出現(xiàn)電動(dòng)勢.當(dāng)太陽光非垂直照射在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)長時(shí)間陰天或多云轉(zhuǎn)晴后太陽重新出現(xiàn)時(shí)，實(shí)現(xiàn)判斷太陽直射輻射的強(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)過實(shí)際測試，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)行了太陽能自動(dòng)跟蹤測量太陽輻射強(qiáng)度的試驗(yàn).為驗(yàn)證其自動(dòng)追蹤效果，采用2只同樣的測量輻射計(jì)，從6∶00到20∶00實(shí)測太陽的輻射強(qiáng)度.一只安裝在采用了太陽能自動(dòng)跟蹤裝置的太陽能電池板上，另一只安裝在朝南35°固定安裝的太陽能電池板上.測量輻射計(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)測量過程中，天氣晴朗無云.試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.其中■表示自動(dòng)追蹤太陽能電池板上的輻射計(jì)數(shù)據(jù)，●表示固定朝南35°太陽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能利用率30%以上.

圖8 跟蹤算法流程圖

5 結(jié) 語

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

本文所設(shè)計(jì)的太陽能自動(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能利用率，具有較高的實(shí)用價(jià)值.

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