光伏發(fā)電太陽跟蹤裝置設(shè)計

張瑋瑋，董昭（安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

光伏發(fā)電太陽跟蹤裝置設(shè)計

張瑋瑋，董昭
（安陽工學(xué)院，河南安陽455000）

在了解日地相對運動規(guī)律的基礎(chǔ)上，采用光電傳感跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結(jié)合的方法，設(shè)計了自適應(yīng)太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)。實驗表明，該裝置提高了對多變環(huán)境的適應(yīng)能力和跟蹤精度，實現(xiàn)了全天候全自動的太陽跟蹤。

光電傳感跟蹤；視日運動軌跡跟蹤；自適應(yīng)

太陽能光伏發(fā)電成為解決未來能源危機的重要途徑，但發(fā)電轉(zhuǎn)換效率很低極大地限制了它的應(yīng)用和發(fā)展。太陽自動跟蹤是解決這一問題的一種可行的方法，其原理就是根據(jù)一天中不同時刻太陽在天空中方位的變化，調(diào)整太陽能利用裝置的偏轉(zhuǎn)角度，從而跟蹤太陽的偏移，使太陽入射光線時刻垂直照射，使太陽輻射能量得到充分接收。太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)可大大提高接收裝置的熱效率，提高太陽能的利用率。

1　設(shè)計思路

將視日運動軌跡跟蹤和光電傳感跟蹤的特點相結(jié)合，采取視日運動軌跡跟蹤開環(huán)控制和光電傳感跟蹤閉環(huán)控制的混合控制的策略，發(fā)揮各自優(yōu)勢。當(dāng)遇到陰雨等天氣情況時，光強太弱致使光敏二極管無法導(dǎo)通，系統(tǒng)自動跳到視日運動軌跡跟蹤方式進行跟蹤，天氣轉(zhuǎn)好后自動跳回光電傳感跟蹤，此方案發(fā)揮了光電傳感跟蹤的靈敏度高的優(yōu)點，同時合理地利用了太陽運動軌跡跟蹤方式，最大程度降低跟蹤裝置因天氣帶來的誤操作。設(shè)定跟蹤時間，根據(jù)地域不同使用軟件改寫，降低累積誤差，提高跟蹤精度。筆者所在的安陽地區(qū)7:00之前和20:00之后太陽光照比較弱，固定式和跟蹤式太陽能的采集量大體相同，因此采用控制系統(tǒng)復(fù)位后進入休眠等待模式，在此時間區(qū)間跟蹤裝置固定不動，更大程度的節(jié)約能源。

太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的工作原理：設(shè)置前端光電傳感檢測電路對白天還是黑夜做出判斷，若是白天，運行編寫的程序，若是黑夜，響應(yīng)中斷程序，并自動復(fù)位到早晨太陽升起的位置，使跟蹤裝置處于待機的休眠狀態(tài)，降低了系統(tǒng)的耗能。在白天時，再次判斷太陽光強度，判定出晴天還是陰天，在天氣晴朗時采用光電傳感跟蹤模式，在陰天時采用視日運動軌跡跟蹤模式，采用光電傳感—信號采集和處理—驅(qū)動芯片—驅(qū)動步進電機—太陽能采集板轉(zhuǎn)動—反饋調(diào)整，使用兩個步進電機，進而驅(qū)動太陽光接收裝置轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)全天候全自動實時跟蹤。

2　控制系統(tǒng)設(shè)計

太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)采用視日運動軌跡跟蹤開環(huán)控制和光電傳感跟蹤閉環(huán)控制的混合控制的策略，包括軟件程序的設(shè)計、硬件電路的設(shè)計和機械傳動跟蹤平臺的設(shè)計。

2.1軟件程序的設(shè)計

整個控制系統(tǒng)的程序設(shè)計包括光電傳感跟蹤程序設(shè)計、視日運動軌跡跟蹤程序設(shè)計、時鐘電路程序設(shè)計、顯示模塊程序的設(shè)計、復(fù)位電路程序的設(shè)計等部分。程序主流程圖如圖1所示，視日運動軌跡跟蹤程序流程圖如圖2所示。

整個程序的運行順序是：首先判斷晝夜的變化，若是黑夜啟動中斷程序，復(fù)位到第二天太陽升起的方向，然后使系統(tǒng)進入等待休眠狀態(tài)。如果不是，就進入陰晴判斷程序；陰天時，系統(tǒng)視日運動軌跡跟蹤方式；如果是晴天，采用光電傳感跟蹤方式。

2.2硬件電路的設(shè)計

太陽跟蹤裝置的硬件電路包括單片機最小系統(tǒng)電路、晶振電路、復(fù)位電路、時鐘電路、LCD顯示電路、手動調(diào)節(jié)電路、光電判斷跟蹤電路、步進電機驅(qū)動電路，光電跟蹤電路又包括判晝夜電路、判陰晴電路、晴天光電傳感電路。太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的總體設(shè)計原理圖如圖3所示，步進電機驅(qū)動電路如圖4所示。

2.3機械傳動跟蹤平臺的設(shè)計

太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的傳動機構(gòu)有兩大部分：①蝸輪蝸桿的傳動設(shè)計，控制調(diào)整高度角的步進電機采用蝸輪傳動，蝸輪傳動可獲得很大的傳動比，傳動工作平穩(wěn)，傳動比精確，當(dāng)蝸輪的導(dǎo)程角小于當(dāng)量摩擦角時，蝸輪傳動實現(xiàn)自鎖，因傳遞運動的精確性、平穩(wěn)性、載荷分布的均勻性使使太陽能電池板隨外界環(huán)境的變化影響減小，晃動減小，使工作更穩(wěn)定。②齒輪的傳動設(shè)計，利用齒輪相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動，齒輪傳動平穩(wěn)，傳動比精確，工作可靠。機械傳動跟蹤平臺的整體設(shè)計圖如5所示。

3　結(jié)論

本文是基于單片機的自適應(yīng)太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)，采用視日運動軌跡跟蹤為主、光電傳感跟蹤作為校正的混合跟蹤模式，隨太陽位置的不斷變化，使太陽跟蹤裝置可以繞垂直的兩個軸向轉(zhuǎn)動，根據(jù)太陽光線的變化自動調(diào)整集熱板或電池板的轉(zhuǎn)動，使太陽跟蹤裝置時刻垂直太陽光線，更好地應(yīng)對多變的天氣和復(fù)雜的環(huán)境，有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

[1](日)坂本正文.步進電機應(yīng)用技術(shù)[M].王自強，譯.北京：科學(xué)出版社，2010．

[2]張毅剛，彭喜元，彭宇.單片機原理及應(yīng)用[M].北京：高等教育出版社，2010．

[3]李安定.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)工程[M].北京：北京工業(yè)大學(xué)出版社，2001．

[4]鄭飛.蝶式太陽能熱發(fā)電跟蹤機構(gòu)電路優(yōu)化設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京，中國科學(xué)院研究院，2003．

[5]史敬灼.步進電動機伺服控制技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2006．

[6]任超.太陽自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)的研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2007．

[7]吳靜.太陽自動跟蹤系統(tǒng)的研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[8]史偉會.基于七點法太陽定位器的自動跟蹤系統(tǒng)研究[D].上海：東華大學(xué)，2011．

(責(zé)任編輯：趙建周）

TP23

A

1673-2928（2015）02-0025-03

2014-09-27

張瑋瑋（1980-），女，河南安陽人，安陽工學(xué)院講師，碩士研究生，主要研究方向為智能控制、自動控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。