自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電裝置保護(hù)系統(tǒng)

陳海

【摘 要】論文在前人的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合新疆本地氣候條件，對(duì)雙軸跟蹤式發(fā)電裝置各種工作環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)判斷氣象條件，控制器選擇執(zhí)行不同的跟蹤方式或者保護(hù)方式，在保證最大限度進(jìn)行跟蹤，提高發(fā)電效率的同時(shí)，保證在惡劣天氣條件下能夠?qū)μ?yáng)能發(fā)電裝置進(jìn)行有效保護(hù)。

【Abstract】 Based on the previous studies and combined with the local climatic conditions in Xinjiang， the paper detects the various working environments of the biaxial tracking power generation device. Through judging the meteorological conditions， the controller is chosen to perform different tracking modes or protection modes， so as to ensure that the solar power plant can be protected effectively under the bad weather conditions while the maximum tracking is ensured and the power generation efficiency is improved.

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng);保護(hù)系統(tǒng);單片機(jī)

【Keywords】 solar tracking system; protection system; singlechip

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM615? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2018）10-0149-02

1 引言

光伏發(fā)電作為清潔能源的一種，已經(jīng)在世界各地被廣泛采用，自動(dòng)跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠提高光伏發(fā)電效率近30%，能夠大大提高光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能，但是由于自動(dòng)跟蹤式光伏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了避免氣候變化對(duì)光伏發(fā)電裝置的損壞，制作得比較厚重和巨大，與固定支架式裝置相比，造價(jià)較高，因此也限制了自動(dòng)跟蹤式光伏發(fā)電裝置的應(yīng)用，若減輕設(shè)備的重量，設(shè)備強(qiáng)度必然要受到影響，在惡劣天氣的影響下，可能會(huì)對(duì)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)造成永久損壞，為了避免惡劣天氣對(duì)光伏發(fā)電裝置造成損壞，需要準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的氣候條件，才能對(duì)設(shè)備進(jìn)行準(zhǔn)確控制[1]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電裝置有機(jī)械式、電子式、光電跟蹤式和GPS定位方式跟蹤，本設(shè)計(jì)是針對(duì)光電跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電裝置，通過(guò)判斷環(huán)境條件，判斷當(dāng)前環(huán)境的晝夜、陰晴、是否有風(fēng)，是否有雨或雪（溫度低于-5攝氏度）的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)環(huán)境狀態(tài)的判斷，能夠有效減少風(fēng)和雪對(duì)跟蹤支架的受力，同時(shí)，通過(guò)判斷晝夜，選擇讓設(shè)備進(jìn)入休眠待機(jī)狀態(tài)，通過(guò)判斷陰晴狀態(tài)，選擇設(shè)備進(jìn)行光電跟蹤還是視日軌跡跟蹤（計(jì)算跟蹤方式）[2]。

重點(diǎn)是傳感器判斷為大風(fēng)天氣時(shí)，應(yīng)將光伏面板調(diào)整為水平放置狀態(tài)，減少受風(fēng)面積，避免設(shè)備損壞。

當(dāng)液體傳感器檢測(cè)到有雨或雪的時(shí)候，進(jìn)一步通過(guò)溫度傳感器的輸入信號(hào)，判斷溫度是否低于-5℃，當(dāng)溫度低于-5℃時(shí)，則判斷為有雪，此時(shí)應(yīng)將光伏面板的姿態(tài)調(diào)整為垂直放置，以減小光伏面板的落雪面積，減少設(shè)備壓力，盡可能地避免設(shè)備的損壞。

3 硬件設(shè)計(jì)模塊

自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能光伏發(fā)電保護(hù)系統(tǒng)框圖如圖 1 所示。

各種傳感器接收外界氣象條件后，除雨雪傳感器輸出為高低電平的數(shù)字信號(hào)外，其他傳感器均輸出模擬量信號(hào)，處理電路將相應(yīng)的模擬量信號(hào)，在與比較器反相端已設(shè)定的閾值信號(hào)作比較后，輸出相應(yīng)的高低電平信號(hào)，用于單片機(jī)判斷當(dāng)前的外界氣象條件。單片機(jī)根據(jù)控制邏輯，執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)或者跟蹤程序。

在需要進(jìn)行軌跡跟蹤時(shí)，單片機(jī)通過(guò)讀取DS1302芯片，來(lái)獲取當(dāng)前時(shí)間;同時(shí)單片機(jī)采集ADXL335芯片信息，來(lái)確定當(dāng)前設(shè)備的姿態(tài)，即高度角和方位角信息，通過(guò)單片機(jī)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)和參數(shù)，通過(guò)執(zhí)行控制邏輯，對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和反相器的輸入端的電平進(jìn)行控制，輸入不同的電平值，對(duì)高度角電機(jī)和方向角電機(jī)的方向、啟停進(jìn)行控制，來(lái)調(diào)整設(shè)備姿態(tài)。

4 系統(tǒng)控制邏輯

不管是否夜晚，只要檢測(cè)大風(fēng)情況，為保護(hù)設(shè)備，減少受風(fēng)面積，啟動(dòng)電池放平程序，只需給啟動(dòng)信號(hào)，開(kāi)始放平后，就由外部繼電器保持自鎖，當(dāng)完全放平后觸動(dòng)外部的行程開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)常閉斷開(kāi)后停止放平過(guò)程。

在無(wú)風(fēng)的情況下先檢測(cè)陰晴，由于檢測(cè)陰晴的傳感器也是光電傳感器，在天黑的時(shí)候檢測(cè)結(jié)果也會(huì)判斷為陰天，這樣就能保證不管是白天還是晚上，只要光照強(qiáng)度高于閾值，需要進(jìn)行跟蹤，在跟蹤方式選擇上，先檢測(cè)光電跟蹤模塊，若檢測(cè)到有光線(xiàn)照射在光電跟蹤模塊上，可判斷為面板基本朝向太陽(yáng)，則進(jìn)行光電跟蹤，若光電跟蹤模塊無(wú)法檢測(cè)到陽(yáng)光，則可判斷太陽(yáng)方位和面板朝向差別較大，該差別是由系統(tǒng)進(jìn)行保護(hù)性調(diào)整姿態(tài)或系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間由于陰雨，夜晚的待機(jī)，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間未執(zhí)行跟蹤程序，則需要通過(guò)軌跡跟蹤的方式先進(jìn)行粗跟蹤，軌跡跟蹤結(jié)束后再用光電跟蹤的方式進(jìn)行微調(diào)。該方式是為了在經(jīng)過(guò)夜晚或保護(hù)后可以快速調(diào)整姿態(tài)，進(jìn)行跟蹤。

反之，若光線(xiàn)較弱，則先判斷是否有雨雪，在檢測(cè)到?jīng)]有雨雪的情況下先判斷是否是晚上，若不是晚上就進(jìn)行軌跡跟蹤，若是晚上就休眠。若通過(guò)檢測(cè)判斷已經(jīng)下雨或下雪，則檢測(cè)溫度是否低于-5℃，當(dāng)下雨同時(shí)溫度低于-5℃即判斷為下雪，太陽(yáng)能電池板調(diào)整為垂直放置，減小落雪面積，若溫度不低于-5℃，判斷為僅有降雨的情況下，系統(tǒng)待機(jī)。

5 軟件流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)的運(yùn)行順序如下：系統(tǒng)開(kāi)始后進(jìn)行初始化，然后自檢，若自檢失敗，結(jié)束程序，當(dāng)自檢成功后執(zhí)行跟蹤保護(hù)程序：首先判斷風(fēng)速，若風(fēng)速超限，無(wú)論太陽(yáng)能面板處于何種狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)高度角電機(jī)正轉(zhuǎn)，將電池放平減少受風(fēng)面積（高度角為90°）。若風(fēng)速未超過(guò)限定值，則先判斷陰晴傳感器P1.0口電平是否為高電平，若結(jié)果為否（低電平），則此時(shí)光照強(qiáng)度較強(qiáng)，可以肯定不是夜晚，然后檢測(cè)是否可以開(kāi)始光電跟蹤，通過(guò)檢測(cè)D0是否有光線(xiàn)照射在上面來(lái)判斷，若有光線(xiàn)照射為低電平時(shí)，直接進(jìn)行光電跟蹤，若D0無(wú)光線(xiàn)照射在上面，此時(shí)先進(jìn)行軌跡跟蹤，粗跟蹤后，再進(jìn)行光電跟蹤細(xì)微調(diào)整。若陰晴檢測(cè)電路檢測(cè)為陰天（光照強(qiáng)度弱，可能是晚上）時(shí)，先判斷雨雪檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)是否有雨或雪，若檢測(cè)沒(méi)有雨雪，檢測(cè)是否為晚上，此時(shí)有兩種情況，一種是沒(méi)有雨雪的白天，光強(qiáng)較弱，則進(jìn)行軌跡跟蹤，若是沒(méi)有雨雪的夜晚，系統(tǒng)什么都不做調(diào)整。若雨雪傳感器檢測(cè)到有雨雪，則判斷是否低溫，同樣有兩種情況：一種是有雨雪但溫度不低（下雨），無(wú)論是白天還是夜晚，系統(tǒng)保持不動(dòng);另一種是有雨雪，溫度較低（判斷為有雪），此時(shí)驅(qū)動(dòng)高度角電機(jī)反轉(zhuǎn)，調(diào)整面板姿態(tài)為豎直放置（高度角為0°），減少落雪面積。

6 系統(tǒng)硬件調(diào)試

電路搭建后通過(guò)測(cè)量各傳感器在不同條件下的輸出電壓，調(diào)節(jié)各電位器，使得比較器的輸出電壓值和電路設(shè)計(jì)中的電壓值一致，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化準(zhǔn)確響應(yīng)，能夠給單片機(jī)一個(gè)準(zhǔn)確的輸入信號(hào)，用于單片機(jī)判斷外界條件，能夠準(zhǔn)確控制太陽(yáng)能面板的工作姿態(tài)。

【參考文獻(xiàn)】

【1】徐靜. 自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D].杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009.

【2】謝漪，謝翠婷，葉創(chuàng)輝. 一種四象限太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2017（02）：37-41.