新型太陽能跟蹤器控制研究

摘 要：太陽能作為一種清潔無污染的能源，具有取之不盡、用之不竭的特點(diǎn)，我國太陽能資源十分豐富，但目前利用的還不夠充分，這種現(xiàn)狀的形成有各種各樣的原因，其中關(guān)鍵的一個因素是目前多數(shù)太陽能電池板都是固定的，而太陽光又存在著光照的間歇性、空間分布不斷變化的特點(diǎn)，這就導(dǎo)致了太陽能電池板不能跟隨太陽運(yùn)動，不能最大限度的吸收太陽光的能量，使太陽能的轉(zhuǎn)換效率偏低。

關(guān)鍵詞：太陽能；跟蹤器；傳感器；高度角；方位角

0前言

太陽能跟蹤控制器是能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽能電池板能垂直照射的機(jī)械動力裝置，能夠顯著提高太陽能光伏器件的發(fā)電利用率?，F(xiàn)有的太陽能跟蹤技術(shù)一般有兩種實(shí)現(xiàn)途徑，一種是以光電傳感器來檢測太陽高度角和方位角進(jìn)行控制的閉環(huán)控制，閉環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤靈敏度比較高；缺點(diǎn)是光電傳感器的敏感元件在檢測太陽光的過程中受天氣情況和環(huán)境中雜散光線的影響比較大，容易引起誤動作，從而導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，很難保證跟蹤的穩(wěn)定性和精確性。

另外一種是使用天文學(xué)公式，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度和時間計算出太陽高度角和方位角，進(jìn)而確定太陽運(yùn)動軌跡的開環(huán)控制，天體運(yùn)行的計算需要運(yùn)用到大量的浮點(diǎn)、三角、反三角等復(fù)雜的運(yùn)算，要保證計算的精度，普通的單片機(jī)需要耗費(fèi)大量的時間，不能實(shí)時的計算。開環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)是太陽運(yùn)動軌跡不受外界天氣狀況、環(huán)境雜散光的干擾，具有較高的可靠性；缺點(diǎn)是在計算太陽角度的過程中因?yàn)檎嫣柸蘸推教柸盏膮^(qū)別會產(chǎn)生累積誤差，而且因開環(huán)控制方式無法進(jìn)行誤差修正，會造成誤差的不斷積累，從而影響跟蹤精度和準(zhǔn)確性。

綜上兩種控制方案，目前使用的太陽能跟蹤方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，而且現(xiàn)有的太陽自動跟蹤系統(tǒng)還不夠完善，不能顯著提高太陽能接收利用率，很難在太陽能發(fā)電行業(yè)中推廣應(yīng)用。

本設(shè)計的目的是有效的把兩種方案結(jié)合起來，軟件算法是根據(jù)天體的運(yùn)行規(guī)律來計算太陽的高度角和方位角，控制太陽能跟蹤器的水平角和俯仰角的范圍，傳感器檢測控制是由精密的四象限傳感器檢測電路來實(shí)現(xiàn)，在軟件算法計算的水平角和俯仰角移動的范圍內(nèi)搜索，精確的跟蹤太陽光信號的最強(qiáng)點(diǎn)，提高太陽光能的利用率。這樣既克服天氣等自然因素的影響，又能解決累積誤差的修正問題，同時考慮系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、降低成本、算法精確等問題，使太陽能跟蹤器跟蹤效果最優(yōu)。

1 控制系統(tǒng)研究的步驟

（1）做出模擬太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)模型；

（2）以單片機(jī)為控制器，設(shè)計太陽能跟蹤器，完成硬件和軟件設(shè)計；

（3）關(guān)鍵技術(shù)解決以光電傳感器為檢測的閉環(huán)控制和以日地運(yùn)行規(guī)律為跟蹤軌跡的開環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)兩種方案的融合和優(yōu)化；

（4）完成模擬調(diào)試。

2 控制系統(tǒng)工藝流程

基于單片機(jī)的雙軸伺服太陽能跟蹤器控制系統(tǒng)設(shè)計主要實(shí)現(xiàn)的功能和達(dá)到的要求如下：

1）做一個系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，主要包括模擬電池板、可二自由度旋轉(zhuǎn)的雙軸、帶減速裝置的電機(jī)、齒輪、軸承、框架等零件，把這零件裝配在一起，可以實(shí)現(xiàn)雙軸的運(yùn)動。

2）設(shè)計一個單片機(jī)控制器，該控制器的硬件包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、晝夜傳感器檢測電路、方位檢測電路、帶減速器的電機(jī)驅(qū)動電路、減速器的限位電路、時鐘電路、鍵盤顯示電路、蜂鳴器電路等。

3）設(shè)計該控制器的兩種控制算法，一種是以光電傳感器為檢測元件的開環(huán)控制，一種是以當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度和時間為參數(shù)來計算太陽運(yùn)行軌跡的閉環(huán)控制。

4）整個控制器可以在每天太陽升起時自動跟蹤太陽運(yùn)轉(zhuǎn)，在陰雨天停轉(zhuǎn)，可以用鍵盤調(diào)整經(jīng)緯度和時間，并在液晶顯示屏上顯示。

5）系統(tǒng)在橫軸方向?qū)崿F(xiàn)仰俯運(yùn)動，在縱軸方向?qū)崿F(xiàn)東西運(yùn)動，仰俯運(yùn)動有正反向限位，東西運(yùn)動有初始位置檢測。

6）系統(tǒng)每天可自動回到初始位置，自動調(diào)節(jié)每天的角度，也可手動調(diào)節(jié)系統(tǒng)運(yùn)動的累積誤差。

7）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)模擬調(diào)試，逐個電路調(diào)試程序，在各個電路功能都實(shí)現(xiàn)的前提下，整體調(diào)試，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)。

8）在完成初步功能的基礎(chǔ)上，可在后期優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)成本，使控制算法可行且最優(yōu)。

3 控制方案設(shè)計

該方案選擇了STC12C5A60S2作為核心控制芯片，系統(tǒng)外接4x4鍵盤和LCD顯示器，使系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互界面，可以方便地通過鍵盤對系統(tǒng)進(jìn)行信息輸入和調(diào)整；通過外部精確的時鐘電路，能夠保證時間的精確性，從而使系統(tǒng)在時間控制模式下的運(yùn)行穩(wěn)定、可靠；方位傳感器檢測電路能夠檢測到太陽的方位，為閉環(huán)控制提供信息；照度比較電路能根據(jù)太陽光強(qiáng)度的變化判斷即時的天氣信息，為電機(jī)動作提供依據(jù)；電機(jī)驅(qū)動執(zhí)行電路采用直流電機(jī)調(diào)速器，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速和力矩能夠滿足任務(wù)的要求；限位檢測電路可以判斷支架是否轉(zhuǎn)到了邊緣位置，防止轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)過度旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致機(jī)械故障。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1所示。

（1）單片機(jī)及最小系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用STC12系列單片機(jī)，該單片機(jī)具有運(yùn)行速度快（普通51系列的8-12倍）、程序存儲器容量大、自帶8路10位AD轉(zhuǎn)換器、采用51內(nèi)核，編程方便等優(yōu)點(diǎn)。其復(fù)位電路可選擇上電復(fù)位和按鍵電平復(fù)位方式。上電復(fù)位無需操作，上電后單片機(jī)自動復(fù)位，是最簡單、最常用的復(fù)位方式。時鐘電路由12MHz外部晶振與元片電容組成，也可選擇內(nèi)部時鐘，但內(nèi)部時鐘易受溫度的影響，因而本系統(tǒng)選擇外部時鐘電路。

（2）四路方位檢測電路

本電路采用四個光照度傳感器，四個傳感器呈十字形對稱放置，且各傳感器距離中間交點(diǎn)1cm，且傳感器之間用交叉的不透明擋板隔開，從而能通過判斷陰影與非陰影區(qū)使檢測電路始終對著太陽。本電路采用Po188作為檢測裝置，該傳感器是一個光電集成傳感器，典型入射波長為λp=520nm，內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。傳感器和電阻串聯(lián)，從中間引出端子到單片機(jī)上。單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后進(jìn)行比較，然后根據(jù)比較電壓值進(jìn)行相應(yīng)的動作。

（3）照度比較電路

單片機(jī)每隔兩個小時對該電路的輸出端進(jìn)行掃描，通過該電路能根據(jù)外部環(huán)境的光照情況對系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)外界光照條件好時，該電路輸出高電平，系統(tǒng)正常工作；當(dāng)天氣狀況不好有陰雨時，電路輸出低電平，單片機(jī)發(fā)生外部中斷，系統(tǒng)停止運(yùn)行。

（4）時鐘電路

該電路采用DS12C887時鐘芯片，該芯片自帶晶體振蕩器及電池，在沒有外部電源的情況下可工作十年，可計算到2100年前的秒、分、時、星期、月、年、七種日歷信息并帶閏年補(bǔ)償。該芯片與單片機(jī)連接方便，硬件結(jié)構(gòu)簡單，且?guī)r間性中斷、周期性中斷、時鐘更新結(jié)束中斷三種中斷方式。時間性中斷可產(chǎn)生每秒一次至每日一次的中斷信號。通過時鐘電路可以準(zhǔn)確地記錄即時時間，在知道當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度的條件下，能夠計算出當(dāng)?shù)氐娜粘鋈章鋾r間。當(dāng)?shù)竭_(dá)日出時間后，并且照度比較電路輸出為高電平，本系統(tǒng)按照每十分鐘旋轉(zhuǎn)固定的角度（初次設(shè)定為0.2度）進(jìn)行工作，通過記錄電機(jī)旋轉(zhuǎn)的脈沖數(shù)來確定角度。

（5）4*4鍵盤電路

本電路用來輸入當(dāng)?shù)氐臅r間和經(jīng)緯度，采用CH451作為外擴(kuò)芯片，該芯片最多能外擴(kuò)8*8個按鍵，其與單片機(jī)通過四路信號線進(jìn)行連接，能夠有效的節(jié)省單片機(jī)I/O口。

（6）直流電機(jī)調(diào)速器

由于太陽偏轉(zhuǎn)的速度非常慢，所以本系統(tǒng)要求電機(jī)的轉(zhuǎn)速也要非常慢，因此需要對直流電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。通過單片機(jī)輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖具有控制方便，可節(jié)省硬件等特點(diǎn)，但是由于本系統(tǒng)的程序量大，輸出的脈沖很難滿足調(diào)速的要求，因此需要硬件生成PWM脈沖。本系統(tǒng)的直流電機(jī)調(diào)速器能夠產(chǎn)生脈沖比為10%—95%的PWM脈沖，并由可變電阻調(diào)節(jié)。該調(diào)速器自帶外部信號輸入端，通過傳感器接口控制正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)、限位等多種功能，從而大大減少單片機(jī)的外部工作量。

（7）限位開關(guān)

由于太陽在一天中的運(yùn)行軌跡是固定的，太陽落山后跟蹤器應(yīng)該停止旋轉(zhuǎn)，采用限位開關(guān)能夠使跟蹤器在固定的角度內(nèi)旋轉(zhuǎn)，防止過度地旋轉(zhuǎn)引起機(jī)械故障。本系統(tǒng)在東西、南北四個方向上各放2個，分別限定某一個位置。

（8）直流減速電機(jī)

本系統(tǒng)要求角度的偏轉(zhuǎn)非常小，而直流電機(jī)轉(zhuǎn)速非常快，因此需要采用大減速比的減速電機(jī)。經(jīng)實(shí)際計算和市場調(diào)查，采用減速比為1：505的減速電機(jī)。

4小結(jié)

實(shí)踐表明，采用太陽跟蹤技術(shù)可以提高41.34%的能量接收率，因此開發(fā)設(shè)計一種受自然界天氣影響較小的、且能跟蹤太陽光的控制系統(tǒng)是十分必要的，這也是太陽能企業(yè)積極研究且迫切解決的問題之一。采用本文中的太陽能跟蹤器控制技術(shù)可著力提升太陽能的能量接收率，使現(xiàn)有的太陽能設(shè)備使用效力大大提升。

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作者簡介

馬文甲，男，27歲，2004.8--2008.6遼寧工業(yè)大學(xué)，材料與化學(xué)工程學(xué)院，化學(xué)工程與工藝專業(yè)。2010.3--至今，在職研究生學(xué)習(xí)，遼寧工業(yè)大學(xué)，電氣工程學(xué)院，控制工程專業(yè)