一種基于雙軸的太陽能自動跟蹤裝置

張新亮

（南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

0 引言

能源是人類生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)前，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，包括我國在內(nèi)的各國對能源的需求與日俱增。太陽能作為一種可再生的新能源，受到世界各國的關(guān)注。如何提高光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率一直是太陽能利用的焦點，實現(xiàn)對太陽運動軌跡的自動跟蹤是提高光伏組件轉(zhuǎn)換效率的有效方法。據(jù)相關(guān)研究指出，光伏發(fā)電陣列進(jìn)行太陽運行軌跡跟蹤時，可以比固定式陣列提高33%的效率［1］，且太陽自動跟蹤越精確，其發(fā)電效率越高。基于以上目的，本文提出了一種基于雙軸的太陽能自動跟蹤裝置。

1 硬件結(jié)構(gòu)組成

圖1為太陽能自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)框圖，該裝置為基于Msp430F149單片機(jī)的雙軸跟蹤裝置。系統(tǒng)可以在方位角、高度角兩個自由度上跟蹤太陽運行軌跡。本裝置由四象限探測器、時鐘電路、信號處理及控制電路、方位角及高度角調(diào)整模塊組成。

圖1 太陽能自動跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)框圖

1.1 四象限探測器的結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)四象限探測器接收陽光時，將會在光敏探測器上產(chǎn)生光斑，當(dāng)光斑的中心與四象限探測器的中心不重合時，則說明太陽的位置發(fā)生了偏移。圖2為光斑與四象限探測器中心位置關(guān)系，圖2（a）為兩個中心相重合，即信號采集傳感器與陽光照射方向相垂直；圖2（b）為兩中心不重合，用Δx表示光斑與四象限探測器中心位置在x軸上的偏差量，Δy表示在y軸上的偏差量。

1.2 電流信號處理電路

四象限探測器輸出的信號類型是微弱電流信號，A/D轉(zhuǎn)換芯片只能夠?qū)﹄妷盒盘栠M(jìn)行處理，因此需要信號處理電路將電流信號轉(zhuǎn)換成A/D采集模塊識別的電壓信號。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 光斑與四象限探測器中心位置示意圖

圖3 四路電流轉(zhuǎn)電壓信號電路

由計算可得到太陽光線在x和y方向的實際偏差值：

其中：U1，U2，U3，U4為對應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓；R為太陽光的偏移角度。圖3中，IN1，IN2，IN3，IN4為四路光電流信號，圖4反相電路同樣采用LM148，輸出的電壓信號經(jīng)過反相跟隨后輸出A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠識別的電壓信號AD0、AD1、AD2、AD3。

圖4 反相電路

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所示，該電路可以對控制電路輸出的脈沖進(jìn)行環(huán)形分配和功率放大，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動。當(dāng)控制電路發(fā)出一個脈沖信號和一個正方向信號時，通過DMD403進(jìn)行環(huán)形分配和功率放大后，步進(jìn)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)DIR端口加負(fù)方向信號時，步進(jìn)電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

2 軟件設(shè)計

整個自動跟蹤是在Msp430F149［2］單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下完成，主程序流程圖見圖6，系統(tǒng)的軟件程序主要由中斷程序及若干子程序組成。軟件部分主要完成以下工作：

（1）開機(jī)初始化：包括單片機(jī)內(nèi)部定時器初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化等。

（2）時間判斷：判斷裝置運行的時間是否在8：00～18：00之間，若不在8：00～18：00之間時，自動跟蹤裝置停止工作；根據(jù)地區(qū)的不同，裝置可以由軟件改動時間，到18：00之后，自動跟蹤裝置停止工作并固定在原位置直至20：00，之后復(fù)位。

（3）跟蹤方式選擇：晴天時，系統(tǒng)選擇光電式跟蹤；否則，采用時鐘式跟蹤。

基于雙軸的自動跟蹤裝置采用光電式跟蹤和時鐘式跟蹤相結(jié)合的方式，兩種跟蹤方式可自動切換。光電式跟蹤實時采樣太陽的空間位置數(shù)據(jù)，通過控制電路來比較分析太陽運行軌跡變化，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)跟蹤太陽的位置。時鐘式為輔助跟蹤，在烏云或陰天等天氣條件較差的情況下，采用此方式跟蹤控制。太陽每天轉(zhuǎn)動360°，假設(shè)裝置每N分鐘轉(zhuǎn)動一次，則一天中裝置每次應(yīng)轉(zhuǎn)動（N/4）°，該太陽能自動跟蹤裝置的N取值為5min［3］，即每5min跟蹤裝置轉(zhuǎn)動1.25°。在天氣晴朗時，太陽光較強(qiáng)，裝置采用光電式跟蹤模式；在有烏云或陰雨天等較差天氣條件下，由于光線較弱，裝置將自動切換到時鐘式跟蹤模式。

圖6 主程序流程圖

3 實驗論證

取兩組性能參數(shù)相同的光伏組件，一組按當(dāng)前地理位置的最佳角度固定式安裝，另一組運用自動跟蹤裝置，圖7（a）為晴朗的天氣條件下，測試兩組光伏組件得到的采樣光強(qiáng)；圖7（b）為中午前后突然降雨，兩組光伏組件采樣的光強(qiáng)。

圖7 雙軸跟蹤與固定式安裝光伏系統(tǒng)的采樣光強(qiáng)

比較兩種安裝方式在不同天氣情況下的采樣光強(qiáng)。晴朗天氣條件下，固定安裝式的光伏組件全天只在11：00～14：00這段時間，共計3h左右，光強(qiáng)達(dá)到1 000W/m2。自動跟蹤式的光伏組件光強(qiáng)達(dá)到1 000 W/m2左右，時間則從9：00～16：00，近7h。在天氣突變條件下，雙軸跟蹤方式相比于固定式，光伏組件接收了更多的太陽能。根據(jù)以上采樣數(shù)據(jù)，可以計算得出：晴朗天氣下，固定安裝的光伏組件全天平均接收光強(qiáng)為622.8W/m2，自動跟蹤式的全天平均接收光強(qiáng)為873.4W/m2，可增加發(fā)電功率40.2%；天氣突變情況下，固定安裝光伏組件全天平均接收光強(qiáng)為497.3 W/m2，自動跟蹤式的全天平均接收光強(qiáng)為715.4W/m2，可增加發(fā)電功率43.8%。

4 結(jié)論

（1）本太陽能自動跟蹤裝置采用光電跟蹤和時鐘式跟蹤相結(jié)合，克服了天氣影響、誤差累積等缺點，并能自動檢測光強(qiáng)的變化。該太陽能自動跟蹤裝置的跟蹤精度高，可靠性較好。

（2）通過實驗數(shù)據(jù)分析可得，與固定安裝相比，自動跟蹤裝置的太陽能利用率提高了40%左右。該跟蹤裝置成本較低，效果好，具有較好的推廣價值和應(yīng)用前景。

［1］Gay C F，Yerkes J W，Wilson J H.Performance advantages of two-axis tracking for large flat-plate photovoltaic energy system［C］//Proceedings of 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.［s.l.］：IEEE，1982：1368-1371.

［2］張朋濤，肖世德，黃燦泉.基于MSP430單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2005，34（11）：36-37.

［3］馮小強(qiáng)，宋偉峰，宋婉貞，等.太陽跟蹤裝置［J］.電子工業(yè)設(shè)備專用，2010（11）：17-18，40.