視日軌跡太陽能反饋跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐煒君 原大明

(東北石油大學(xué)秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

視日軌跡太陽能反饋跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

徐煒君 原大明

(東北石油大學(xué)秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

為了提高太陽能發(fā)電效率，設(shè)計了一種以STC15W4K32S4單片機為核心，基于雙軸跟蹤機構(gòu)的全天候視日軌跡太陽能反饋跟蹤系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的組成、原理、硬件模塊和實現(xiàn)方法。實驗結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，太陽能跟蹤精度誤差在0.25～0.50°以內(nèi)，減少了系統(tǒng)累積誤差，實現(xiàn)了反饋控制的目的。

太陽能跟蹤系統(tǒng) 單片機 光強檢測 雙軸跟蹤 反饋控制

隨著能源問題的日益突出，太陽能作為一種最清潔、最環(huán)保、可永續(xù)的能源[1]，已受到了各國的重視。而在眾多提高太陽能利用效率的研究方法中，太陽跟蹤是一種有效的方法。實踐表明，采用跟蹤式方法，太陽能電池的發(fā)電效率可以提高30%以上[2]。

太陽跟蹤的方法有多種，目前比較常用的方法主要有視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤[3,4]。前者根據(jù)太陽運動規(guī)律，計算出太陽能電池板應(yīng)轉(zhuǎn)動的角度，從而控制步進電機動作，這種跟蹤方式的缺點是會產(chǎn)生累計誤差且跟蹤系統(tǒng)自身無法消除這些誤差；后者受環(huán)境影響較大，尤其在多云或陰天時。在此，筆者采用以視日運動軌跡跟蹤為主、光電跟蹤為輔的跟蹤方式[5]，將光電跟蹤的結(jié)果反饋給視日運動軌跡跟蹤，從而進行實時跟蹤微調(diào)，達(dá)到閉環(huán)反饋控制的目的，避免視日運動軌跡跟蹤開環(huán)控制的諸多缺點，實現(xiàn)全天候自動、精確的太陽跟蹤。

1 系統(tǒng)的組成和原理

太陽能反饋跟蹤系統(tǒng)(圖1)主要由單片機控制單元、光強檢測裝置、步進電機驅(qū)動模塊、雙軸跟蹤機構(gòu)和太陽能電池板組成。單片機控制單元根據(jù)當(dāng)前的地理位置和時間信息并結(jié)合太陽坐標(biāo)模型計算出太陽的方位角γ和高度角α，然后通過α、γ值計算電機的轉(zhuǎn)動參數(shù)，驅(qū)動模塊根據(jù)轉(zhuǎn)動參數(shù)對雙軸跟蹤機構(gòu)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)動角度進行調(diào)整，保證太陽光線時刻都垂直照射在太陽能電池板上，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。系統(tǒng)設(shè)計過程中利用光強檢測裝置實時檢測電機動作所引起的光強變化信息，單片機控制單元根據(jù)該信息對太陽能電池板的姿態(tài)進行微調(diào)，這種反饋控制可以有效消除系統(tǒng)的累計誤差[6]，提高系統(tǒng)的跟蹤精度。

圖1 太陽能反饋跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1單片機控制單元

單片機控制單元是整個系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)選用STC15W4K32S4單片機。STC15W4K32S4單片機是STC增強型8051單片機[7]，它支持寬電源電壓(2.4～5.5V)，具備在線編程與在線仿真功能，集成了大容量的程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器和EEPROM，增加了定時器、串行口等基本功能部件，集成了A/D、PCA、比較器、專用PWM模塊及SPI等多功能接口部件，可極大地簡化單片機應(yīng)用系統(tǒng)的外部電路，使單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計更加簡潔，系統(tǒng)性能更加高效、可靠。

2.2光強檢測裝置

光強檢測裝置(圖2)由4路GY-30型數(shù)字光強傳感器模塊組成。4路GY-30光強傳感器模塊分別位于光強檢測裝置XY水平面的象限點上。水平面分為東、南、西、北4個方向，將平面遮光擋板分別沿一三、二四象限的角平分線設(shè)置，同時用圓形遮光擋板將4路傳感器包圍在其內(nèi)部，這樣可以減少光線對相鄰傳感器的干擾。4路GY-30光強傳感器模塊將采集到的光強信息分別送入單片機系統(tǒng)中進行處理。

圖2 光強檢測裝置結(jié)構(gòu)示意圖

GY-30型數(shù)字光強傳感器模塊主要利用BH1750FVI芯片來采集光強，BH1750FVI是一個16位的兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強傳感器集成電路，其光譜靈敏度接近視覺靈敏度，可以探測1lx～65535lx范圍內(nèi)的光強強度變化且分辨率較高。

2.3步進電機驅(qū)動模塊

單片機控制單元需要通過步進電機驅(qū)動模塊來實現(xiàn)對步進電機的控制。為了達(dá)到太陽跟蹤平穩(wěn)和高精度定位的要求，本系統(tǒng)選用MA860H細(xì)分型兩相混合式步進電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器采用18～80V(AC)或24～110V(DC)供電，適合驅(qū)動電流小于8.0A、外徑57～86mm的兩相混合式步進電機。該驅(qū)動器采用交流伺服驅(qū)動器的電流環(huán)進行細(xì)分控制，電機的轉(zhuǎn)矩波動小，低速運行平穩(wěn)，振動和噪音低；高速時可輸出相對較高的力矩，定位精度高。

2.4雙軸跟蹤機構(gòu)

跟蹤式太陽電池板聚光增益明顯優(yōu)于固定式，而雙軸跟蹤式聚光增益又優(yōu)于單軸跟蹤式[8]。因此，本系統(tǒng)采用雙軸跟蹤機構(gòu)(圖3)，在步進電機的帶動下，雙軸跟蹤機構(gòu)在水平、俯仰兩個方向運動。這樣太陽能電池板可以同時跟蹤太陽的高度角α和方位角γ，使太陽光線時刻垂直于太陽能電池板，從而有效提高發(fā)電效率。

圖3 雙軸跟蹤機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

3.1太陽坐標(biāo)模型

天文學(xué)上利用天球描述太陽在空中的位置，并用地平坐標(biāo)系確定其具體坐標(biāo)。地平坐標(biāo)系以地平圈為基準(zhǔn)，用高度角α(0°<α<90°)和方位角γ(-180°<γ<180°)確定太陽位置，其中高度角α為太陽直射光線與地平面的夾角，方位角γ為太陽直射光線在地平面上的投影線與正南方向的夾角，向西(順時針方向)為正，向東(逆時針方向)為負(fù)。本系統(tǒng)通過控制雙軸跟蹤機構(gòu)的兩個旋轉(zhuǎn)軸的角度來實現(xiàn)對方位角γ和高度角α的跟蹤。

太陽高度角α和方位角γ之間的函數(shù)關(guān)系為[9]：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中φ——測點緯度；

δ——太陽赤緯角；

ω——時角。

一年內(nèi)第n天的太陽赤緯角δ為：

時角ω為：

ω=(12-Tz)×15°

式中Tz——被測地點的真太陽時。

3.2光強檢測裝置輔助跟蹤太陽光的原理

系統(tǒng)要求實現(xiàn)太陽光的雙軸跟蹤，即實現(xiàn)太陽高度角α和方位角γ的跟蹤。方位角γ通過光強檢測裝置東西方向的光強傳感器模塊進行跟蹤，而高度角α則通過南北方向的光強傳感器進行跟蹤。光強檢測裝置在安裝過程中，應(yīng)保證其水平面、太陽能電池板的水平面和地平面三者平行，以確保正確地跟蹤太陽高度角α和方位角γ的變化。

高度角α的跟蹤原理為：當(dāng)南北兩個方向的傳感器接收到的光強強度不一致時(即α≠90°)，南北向傳感器會輸出兩個不同的光強值，使光強差ΔL≠0；高度角α越偏離90°，ΔL的絕對值越大；根據(jù)ΔL的變化，單片機計算出步進電機的步數(shù)n，進而驅(qū)動電動機轉(zhuǎn)動以調(diào)整太陽能電池板的姿態(tài)；在實際操作中，由于南北向傳感器參數(shù)的不一致性，很難找到使ΔL=0的位置，因此設(shè)置一個閾值ε，當(dāng)ΔL≠ε時就可以進行太陽能電池板的姿態(tài)調(diào)整。

方位角γ的跟蹤原理與高度角α相同。

3.3陰天和晚上的控制

在陰天和晚上時，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，太陽能電池板歸位平放。系統(tǒng)借助光強檢測裝置檢測到的4路光強信息判斷是否為陰天。系統(tǒng)的時間信息由高精度時鐘芯片DS12C887提供，芯片內(nèi)置晶振和鋰電池，無外部電源時芯片內(nèi)部自供電可長達(dá)十年，因此在系統(tǒng)故障斷電維修時無需對系統(tǒng)進行時間校準(zhǔn)。單片機控制單元根據(jù)該時間信息并結(jié)合系統(tǒng)運行地點的太陽坐標(biāo)模型計算出系統(tǒng)的運行時間。

3.4軟件部分

系統(tǒng)軟件部分主要以單片機為控制核心，設(shè)計控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)用戶程序用C語言編寫，采用多任務(wù)方式和模塊化設(shè)計方法，各模塊和子程序在主程序的調(diào)度下有序地執(zhí)行各種功能。系統(tǒng)主程序、視日跟蹤子程序和微調(diào)子程序的流程如圖4所示。

4 結(jié)束語

筆者在太陽坐標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，對視日運動軌跡跟蹤進行控制優(yōu)化，利用自制的光強檢測裝置實現(xiàn)了視日運動軌跡跟蹤的反饋控制，克服了視日運動軌跡跟蹤容易產(chǎn)生累計誤差的缺點，提高了跟蹤精度。系統(tǒng)以單片機為核心，可以自動判斷運行的天氣和時間條件，可實現(xiàn)全天候自動運行。驅(qū)動模塊MA860H的使用，保證了系統(tǒng)運行的平穩(wěn)性和定位精度。實驗結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，跟蹤精度誤差在0.25～0.50°，對太陽的準(zhǔn)確跟蹤提高了太陽能的利用率，因此在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用前景。

圖4 程序流程

[1] 陳海剛,張秀云,李練兵.基于網(wǎng)絡(luò)與MCGS組態(tài)軟件的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動化及儀表,2013,40(11):1382～1385.

[2] 施云芬,王旭暉,張更宇,等.自動追蹤太陽能UASB反應(yīng)器的設(shè)計[J].化工自動化及儀表,2014,41(1):65～67.

[3] 張翠云,陳學(xué)永,陳仕國,等.基于PLC的雙軸太陽能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J].福州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2013,41(6):1051～1055.

[4] 張麗萍,馬立新,范忠,等.太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].低壓電器,2012,(20):30～33.

[5] 蘭建軍,陳杰輝,李超.光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽方向檢測方法研究[J].化工自動化及儀表,2015,42(1):12～15.

[6] 張新亮.一種基于雙軸的太陽能自動跟蹤裝置[J].機械工程與自動化,2015,(1):166～167.

[7] 朱嶸濤,徐愛鈞,葉傳濤.STC15單片機和nRF2401的無線門禁系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014,(6):57～60.

[8] 王民權(quán),鄒琴梅,黃文君,等.太陽電池板不同運行模式下的聚光增益[J].太陽能學(xué)報,2014,35(10):2015～2021.

[9] 王國安,米鴻濤,鄧天宏,等.太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2007,30(z1):161～164.

AbstractHaving the multi-data source fusion technology adopted to analyze and correlate oilfield professional data was implemented to provide the preparation for data query and data analysis in the oilfield management. Through employing data mining-based decision-making technology, the intelligent analysis of the key data was realized to benefit the data analysis free from artificial experience; and the specialization of data customization realized by Android platform-based mobile terminal push technology can master data changes at any time. Above-said technologies-supported oilfield management system can integrate the oilfield data and each department’s business there along with an improved efficiency of operations.

Keywordsdata fusion, data mining, decision-making, terminal push, oilfield business management

DesignandImplementationofFeedbackTrackingSystemforVisualSolarEnergyTracking

XU Wei-jun, YUAN Da-ming

(QinhuangdaoCampus,NortheastPetroleumUniversity,Qinhuangdao066004,China)

In order to improve generation efficiency of the solar power, the STC15W4K32S4 MCU-cored and the dual-axis tracking mechanism-based all-weather solar feedback tracking system was designed and the system’s composition, working principle, hardware modules and implementation method were presented. The experimental results show that this system has high stability and reliability; and the error of its tracking accuracy stays at 0.25°to 0.50° along with reduced accumulative error and feedback control realized.

solar energy tracking system, MCU, light intensity detection, dual axis tracking, feedback control

(Continued from Page 854)

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.No.2OilProduction,DaqingOilfieldCo.,Ltd.,Daqing163414,China)

2016-06-21(修改稿)

TH862

A

1000-3932(2016)08-0855-04