太陽(yáng)光強(qiáng)檢測(cè)定位的研究與應(yīng)用

【摘要】為了提高太陽(yáng)能的利用率，使檢測(cè)到的光強(qiáng)始終趨向最大值，本系統(tǒng)采用TSL2561傳感器進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)，并根據(jù)光強(qiáng)值來(lái)分區(qū)域判斷太陽(yáng)光的位置，進(jìn)而由PLC控制二維電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤定位太陽(yáng)光最強(qiáng)的位置，此方案在使用模擬光源的實(shí)驗(yàn)研究中取得較穩(wěn)定和可靠的跟蹤效果。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能;光強(qiáng)檢測(cè);二維追蹤;單片機(jī)控制

1.引言

太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，已經(jīng)和風(fēng)能成為各國(guó)競(jìng)相開發(fā)的綠色能源。但太陽(yáng)能存在著密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問(wèn)題，如果能始終保持太陽(yáng)板和光照的垂直，使其最大化的接受太陽(yáng)能，則能充分利用豐富的太陽(yáng)能資源，故能實(shí)時(shí)精確的跟蹤太陽(yáng)的位置是達(dá)到充分利用太陽(yáng)能資源的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

由于太陽(yáng)能的時(shí)變性，太陽(yáng)光強(qiáng)檢測(cè)不僅與外界光照強(qiáng)度相關(guān)，還受天氣氣候、溫度等環(huán)境因素影響，呈非線性特征，因此如何提高光強(qiáng)檢測(cè)的精度，在太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)中尤為重要。光強(qiáng)檢測(cè)技術(shù)已成世界各國(guó)研究熱點(diǎn)，根據(jù)其選取的光敏元件材質(zhì)的不同、放置傳感器的方式不同、檢測(cè)電路的不同及控制電路的不同，導(dǎo)致的控制效果也不盡相同，實(shí)現(xiàn)過(guò)程也大有區(qū)別。本文將介紹通過(guò)太陽(yáng)光強(qiáng)的精確檢測(cè)實(shí)現(xiàn)二維的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。本系統(tǒng)主要由模擬光源、太陽(yáng)能電池板、二維旋轉(zhuǎn)支架、光強(qiáng)檢測(cè)傳感器、限位開關(guān)等部分組成。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用4個(gè)1000W鹵素?zé)裟M太陽(yáng)光源，單片機(jī)通過(guò)太陽(yáng)能電池板上的光學(xué)傳感器采集模擬太陽(yáng)的位置信息，根據(jù)位置信息進(jìn)行分析并將數(shù)據(jù)傳輸給PLC，PLC進(jìn)行判斷和控制太陽(yáng)能電池板下方的二維電機(jī)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤動(dòng)作。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 光強(qiáng)檢測(cè)模塊電路圖

其中光強(qiáng)檢測(cè)部分是以Atmaga8單片機(jī)作為光強(qiáng)檢測(cè)的控制中心，通過(guò)TSL2561光強(qiáng)傳感器[1]對(duì)太陽(yáng)能電池板的光強(qiáng)進(jìn)行采集，光強(qiáng)檢測(cè)模塊能夠采集精確的光強(qiáng)值，單片機(jī)通過(guò)讀取到的光強(qiáng)值比較來(lái)判斷太陽(yáng)光最強(qiáng)的位置，然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇LC，根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行步進(jìn)電機(jī)的控制，步進(jìn)電機(jī)又帶動(dòng)二維跟蹤支架作相應(yīng)的仰俯或順逆動(dòng)作，從而使太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤定位到太陽(yáng)光最強(qiáng)的位置[2]，充分利用太陽(yáng)能。

3.光強(qiáng)檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

模塊電路圖如圖2所示，本系統(tǒng)中采用TSL2561光強(qiáng)檢測(cè)傳感器對(duì)光強(qiáng)進(jìn)行采集，TSL2561是一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強(qiáng)檢測(cè)芯片，它將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，具有直接I2C接口，并可編程配置允許的光強(qiáng)度上下閾值，當(dāng)實(shí)際光照度超過(guò)該閾值時(shí)給出中斷信號(hào)。圖2中采用AMS1117正向低壓降穩(wěn)壓器來(lái)產(chǎn)生3.3V的電壓，為TSL2561提供電源，其中TSL2561的5腳作為中斷信號(hào)的輸出引腳，4腳和6腳作為I2C總線的時(shí)鐘和數(shù)據(jù)傳輸引腳。

4.系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是將光強(qiáng)分為三個(gè)區(qū)域，這里用Luxa、Luxb、Luxc進(jìn)行劃分光強(qiáng)區(qū)域，如圖3所示。

圖3 光強(qiáng)區(qū)域劃分

（a）系統(tǒng)流程圖上部

（b）系統(tǒng)流程圖中部

（c）系統(tǒng)流程圖下部

圖4 系統(tǒng)流程圖

其中Luxalt;Luxblt;Luxc。（1）首先系統(tǒng)進(jìn)行仰方向運(yùn)行，通過(guò)檢測(cè)光強(qiáng)變化判斷定位方向是否正確。（2）在Luxlt;Luxc，當(dāng)光強(qiáng)增大，繼續(xù)執(zhí)行仰運(yùn)行，當(dāng)光強(qiáng)持續(xù)減小，則改變運(yùn)行方向，進(jìn)行俯運(yùn)行定位，當(dāng)光強(qiáng)進(jìn)入?yún)^(qū)域Luxgt;Luxc，即默認(rèn)已經(jīng)進(jìn)入小范圍追蹤區(qū)域，切換追蹤模式。（3）小范圍區(qū)域追蹤通過(guò)系統(tǒng)正反運(yùn)行檢測(cè)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)找到光強(qiáng)最大點(diǎn)區(qū)域，則停止追蹤，進(jìn)入第4步。（4）啟動(dòng)第二維追蹤，進(jìn)行順逆運(yùn)行。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。由于在順逆轉(zhuǎn)二維電機(jī)存在電線出現(xiàn)纏繞的事故，所以后期需要增加在水平運(yùn)行方向的限位開關(guān)，為防止這種安全隱患的發(fā)生，也需要增加相應(yīng)的限位裝置。而關(guān)于模擬冬至以及夏至太陽(yáng)緯度的問(wèn)題，可通過(guò)人為先調(diào)整好正確的俯仰角度，然后啟動(dòng)自動(dòng)追蹤之后通過(guò)只判斷一個(gè)方向上（順逆）的光強(qiáng)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行二維電機(jī)的控制。這樣不僅能簡(jiǎn)化程序的目的，而且能提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及可靠性。

5.結(jié)論

本文利用光電傳感器進(jìn)行光強(qiáng)檢測(cè)后，通過(guò)對(duì)檢測(cè)到光強(qiáng)進(jìn)行區(qū)域劃分來(lái)判斷和控制二維電機(jī)的動(dòng)作，這種分區(qū)域的方式不僅優(yōu)化了判斷方法，也使得電機(jī)的動(dòng)作更準(zhǔn)確和穩(wěn)定，而不是盲目的反復(fù)動(dòng)作，從而可以達(dá)到快速的定位太陽(yáng)能光強(qiáng)最大的位置，也就是太陽(yáng)光直射到太陽(yáng)能電池板。該設(shè)計(jì)在目前正在實(shí)驗(yàn)階段的光伏發(fā)電系統(tǒng)的中已采用并長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，效果良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用性和可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1]江連祥，汪小燕.基于光強(qiáng)傳感器TSL256x的感測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2006（12）：43-45.

[2]崔容強(qiáng)，趙春江，吳達(dá)成.并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，7：29-63.

作者簡(jiǎn)介：張?zhí)m（1984—），湖北武漢人，助教，現(xiàn)就職于漢口學(xué)院。