太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的設計

太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)的設計

作為一種清潔、無害的能源，太陽能源的發(fā)展前景非常廣闊。太陽能發(fā)電已成為世界上發(fā)展最快的技術。然而它也存在著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題,這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的,沒有充分利用太陽能資源,發(fā)電效率低下。據實驗,在太陽能光發(fā)電中,相同條件下,采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%,因此在太陽能利用中,進行跟蹤是十分必要的。本文提出一種新型的基于單片機的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)設計方案,該系統(tǒng)不僅能自動根據太陽光方向來調整太陽能電池板朝向,結構簡單、成本低,而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標位置,不必人工干預,特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情況,有效地提高了太陽能的利用率,有較好的推廣應用價值。1.自動跟蹤系統(tǒng)的組成和結構1.1他們1.1.1檢測太陽紫外圓柱體的轉向太陽的方位隨著觀測位置和觀測時間的不同而不同,因此,欲跟蹤太陽就必須先對太陽進行檢測定位。圖1是太陽光電定位裝置中光電檢測電路的俯視簡圖,共由9個光電三極管組成。正中央1個,旁邊8個圍成一圈。將此檢測板用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住,圓柱體的直徑略大于圖中的外圓。圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞,以讓光線通過(如圖2所示)。將整個光電檢測裝置安裝在太陽能光電池板上,光電二極管的檢測面與電池板平行。在圓柱體的外面不受圓柱體遮擋的地方(確保會受到光線的照射)也安裝一個光電二極管(其朝向與圓柱體內的光電二極管朝向相同),用于檢測環(huán)境亮度,并與圓柱體內的每個光電二級管及運放(可用LM324集成電路中的一個)構成一個比較電路(如圖3)。適當調整圖中電阻的阻值,這樣當圓柱體內的光電二極管沒有受光線照射時,運放將輸出低電平。此電平可對接到的輸入端進行檢測,圓柱體內的每個光電二級管各用一個單片機的輸入端,總共用了9個。這樣就可以檢測太陽光線的朝向,來決定哪個電機轉動、向哪個方向轉動。另外,為了增大光電二極管的檢測范圍,視實際情況需要,也可再增加一圈光電二極管,并與內圈的相應的光電二極管并聯(如圖4)。1.1.2旋轉機構的安裝機械部分主要由電池板支架、底座、兩轉動軸和直流電機構成,整個電池板及檢測裝置安裝在圖5中上部的電池板支架上,光電二極管檢測平面和電池板面應平行。太陽能器自動跟蹤裝置設計成雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng),即可同時在方位角和高度角兩個方向上跟蹤。機械裝置由電機驅動,可以使電池板在水平方向上的360°和垂直方向上的0～90°之間自由旋轉。2個轉動軸的轉動部位都安裝軸承,使摩擦力減小,以降低方位角和高度角兩直流電機的調整功率。在轉動軸上各固定一較大的齒輪,電機可通過傳送帶與小齒輪連接,并進行一定的轉速比調整,以降低大齒輪轉速和電機的調整功率。在兩小齒輪的對稱放置上各安裝2塊小磁鐵,在小齒輪旁邊適當位置安裝一個干簧管(干簧繼電器),并調整其位置使小齒輪上的磁鐵在經過干簧管時,干簧管能閉合。將此信號送由單片機進行判斷,就能檢測到轉動的角度。單片機送出方位角和高度角電機的正反轉控制信號,經兩路三級管和繼電器分別加在方位角和高度角這2個電機上,這樣就構成了方位角和高度角的跟蹤機構。另外,在兩個大齒輪邊宜安裝一鎖定裝置,在方位角和高度角沒有調整時,該鎖定裝置通過安裝在彈簧上(彈簧的另一端固定在大齒輪的軸心位置)的鐵片,鎖定齒輪,以防因系統(tǒng)自重和外界因素導致方位角和高度角自行移動。在單片機發(fā)出正反轉調整信號時,同時也驅動接通電磁閥,拉動該鐵片,以解除鎖定。1.1.3ds132c日起電源及電源由于系統(tǒng)中要進行一些與時間有關的控制,這就需要使用實時時鐘。若使用單片機進行計時,則天長日久會引起較大的誤差,因此使用DALLAS公司生產的串行實時時鐘芯片DS1302。它具有實時時鐘和31字節(jié)的靜態(tài)RAM,采用串行通訊,可方便地與單片機接口。DS1302可提供秒、分、時、日、星期、月和年(帶閏年補償),可采用12h或24h方式計時,采用雙電源(主電源和備用電源)供電。將DS1302的SCLK、I/O、RSTˉˉˉˉˉˉˉRSΤˉ三根引腳與單片機AT89C52的三根輸入口相連接(如圖6)。DS1302主要引腳有:X1,X2:連接32.768kHz晶振。GND:電源地。RSTˉˉˉˉˉˉˉRSΤˉ:復位,用于對芯片操作。I/O:數據輸入、輸出引腳。SCLK:串行時鐘輸入。VCC1,VCC2:主電源與后備電源。圖7為DS1302數據傳送時序,當RSTˉˉˉˉˉˉˉRSΤˉ為高位時,對芯片的操作有效。SCLK為時鐘脈沖,其上升沿時,I/O線上信息輸入有效(低位在前,高位在后);而下降沿時,I/O線上的數據輸出有效(低位在前,高位在后)。1.1.4處理器at29c52單片機選用低損耗、高性能、CMOS八位微處理器AT89C52,片內有8k字節(jié)的可擦寫存儲器,4組I/O口。若要求的存儲量較多,則可改用STC89系列高性能單片機。2.系統(tǒng)的電路圖和工作原則2.1光電電極的調整圖8為整個系統(tǒng)的電原理圖。電源部分和部分重復的光電檢測單元、高度角的三級管和繼電器(和圖中方位角的相同)沒有畫出。圖中D0為置于外部環(huán)境中的光電二極管,通過調整R20,可使在外界沒有光線時,單片機P17腳檢測到低電位,以判斷晝夜。D1為置于圓柱體中央的光電二極管。適當調整R0和R1的值,使當圓柱體中的光電二極管D1在受到光照時運放A1能輸出高電平(1),而D1在沒有受到光照時輸出低電平(0)。其他各路也同樣處理。K1、K2為行程開關,用于檢測的方位角和高度角的初始位置。繼電器的兩組觸點一緩步用于控制電機的轉動,另一組同時接通電磁閥,解除鎖定。2.2天麻校正后的運行系統(tǒng)的框圖如下:開機后先進行時間校正,調用全自動調整子程序,在開機后的第一次調整時,如遇陰天,因尚未存儲正確的位置數據,程序將無法定位,這時應用手電筒模擬太陽予以定位。有了初始數據后,程序就可自動調整。在光線正常時,程序每隔20分鐘進行一次校正,這樣既可以保持較高的發(fā)電效率又可以防止過多的電能消耗在電機上。當晴天校正成功后,將時(1-24)和分(用1、2、3表示0、20、40分)組成一個字節(jié)來表示時間,方位角和高度角合用2個字節(jié),其中水平方位角占9位,高度角占7位,最大可分別表示512和128,故足以達到10的精度,將這三個字節(jié)存儲到89C52的指定的RAM區(qū)中。如陰天調整不成功,則不予存儲,改為調用前次在同一時間調整成功時的位置。這樣既可以在陰天時,調用已存儲的晴天時的太陽位置,也可以在晴天時自動校正,清除因不同季節(jié)太陽位置的變化而產生的積累誤差。一個校正點要用3個字節(jié),若1個小時校正4個點(間隔20分鐘),一天假定調整14個小時,則共要用到126個字節(jié)。而AT89C52片內有256字節(jié)RAM,足可視需要將時間間隔改為10分鐘。3.系統(tǒng)的回存和工作原理本太陽自動跟蹤系統(tǒng)能自動檢測晝夜,并應用了太陽輻射與環(huán)境亮度的比較,使得該自動跟蹤系統(tǒng)的準確性高、可靠性強,在晴天檢測過程中能實時回存正確的時間和角度數據,消除因季節(jié)變化而產生的積