太陽能光伏系統(tǒng)中燈光自動跟蹤的研究

太陽能光伏系統(tǒng)中燈光自動跟蹤的研究

1太陽能發(fā)電系統(tǒng)自動跟蹤的設計現在，利用太陽能發(fā)電已成為新能源利用的重要方式。太陽能光伏電池陣列是實現光電轉換的主要器件,其發(fā)電量多少除與電池板功率和運行狀況有關外,還與能量的轉換效率有關,直接影響系統(tǒng)性能的好壞。因此,其安裝對太陽能發(fā)電系統(tǒng)的效率影響非常大。傳統(tǒng)的太陽能電池板大都采用固定式安裝,即電池板固定在某個位置上,不隨太陽位置的變化而移動,這樣的結果是將嚴重影響轉換效率。據測算:如果系統(tǒng)與太陽光線角度存在25°的偏差,就會因垂直射入的輻射能減少而使光伏陣列的輸出功率下降10%左右。而采用光線自動跟蹤的方式,使太陽能電池板的朝向精確跟隨太陽位置的變化,始終保持太陽能電池板表面與太陽光垂直,這樣會大大提高轉換效率。理想情況下,可以使轉換效率提高30%以上。本文主要介紹雙軸太陽光線自動跟蹤系統(tǒng),該系統(tǒng)具有結構簡單、可靠性高、智能化等特點。2提高光伏系統(tǒng)的轉換精度在各種光線自動跟蹤系統(tǒng)中,最核心的部分是對光線強度的檢測與比較,其精度的高低是決定系統(tǒng)性能的重要的指標,也決定了光伏系統(tǒng)的轉換效率。因此,在設計時應充分重視該部分的方案選擇。2.1太陽能-太陽極軸跟蹤眾所周知,地球的自轉速度是固定的,可以認為,早上太陽從東方升起經正南方向向西運動并落山,太陽在方位角上以15°/h勻速運動,24/h移動一周。以方位角為0°(需查當地的磁偏角進行修正),傾斜角等于當地緯度作為一個極軸。其跟蹤過程是將固定在極軸上的太陽能電池板以地球自轉角速度15°/h的速度轉動,即可達到跟蹤太陽,保持太陽能電池板平面與太陽光線垂直。該方法控制簡單,但安裝調整困難,初始角度很難確定和調節(jié),受季節(jié)等因素影響較大。因此,控制精度較差,一般應用在要求不高的場合。2.2方位角和傾斜角的選擇為了使得太陽能光伏電池陣列最大限度地從太陽獲取輻射能量,除在選材等問題上要考慮外,還要考慮其方位角和傾斜角的選擇。因其與時間、季節(jié)、當地經緯度等諸多復雜因素有關。因此,可以將上述相關的數據預先輸入到微處理器中通過程序查表并進行方位角和傾斜角的計算,實現時間和空間上的同步,最終得出實際角度以實現精確的控制。該方法精度高,具有較好的適應性,但程序復雜,不易于實現。2.3“t”型鋼遮光板上,將所有的光敏電阻下沉到了一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上。一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上。一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上。一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上。一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上。一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上,一個光敏電阻上。一個光敏電光敏電阻是電阻性傳感器,在所受到的光強度發(fā)生變化時,其電阻值相應變化,可將光信號轉換為電信號。如圖1所示,將3個完全相同的光敏電阻置于一個平面上,他們之間用一個呈“T”字型的遮光板分別隔開在3個區(qū)域中,遮光板的高度可調,用以實現精度的調節(jié)。如果太陽光完全垂直照射到3個光敏電阻上,則他們所得到的電壓完全相等。微處理器得到的電壓數據相等,控制電機不動作;如果太陽光不是完全垂直照射,則3個中必定有2個電壓或3個電壓都不相等,則微處理器會控制相應電機轉動,以使得太陽光再次垂直照射到平面上。該方法的特點是,測量精度高、電路簡單、易于實現全天候的跟蹤。本設計即采用了該方案。3系統(tǒng)的組成和工作原則3.1光強度傳感及驅動如圖2所示,該系統(tǒng)主要由光敏電阻傳感器、微處理器、電機驅動電路、電機和機械傳動機構5部分組成。光傳感器采用3支光敏電阻,分別采集水平和垂直方向的光強度信號。微處理器采用PIC單片機控制,實現數據的采集、處理以及電機的驅動控制。驅動部分采用了電機驅動芯片,提高了驅動能力和精確度,簡化了系統(tǒng)。電機采用直流電機或步進電機。機械傳動機構部分包括齒輪傳動機構和減速機構,為了實現全天候工作,采用了密閉式結構,將電機和機械傳動機構密封在一個密閉的腔體內,以免灰塵、雨水等進入,減少維護。3.2太陽能電池板的動態(tài)跟蹤控制信號由光敏電阻傳感器將水平(方位角)和垂直(傾斜角)方向的光強度信號送入單片機,經A/D轉換后,進行比較處理,當其3個數值相同時說明太陽光與光伏電池陣列平面垂直,單片機不發(fā)出控制信號,電機不轉,保持太陽能電池板的偏轉角度;若其3個數值不同,單片機將進一步判斷是方位角還是傾斜角出現偏差,從而發(fā)出相應驅動控制信號驅動芯片工作,控制電機轉動,再通過傳動機構和減速機構進行運動的傳遞和扭矩的轉換,從而帶動太陽能電池板轉動,以消除角度偏差,重新使太陽光與太陽能電池板垂直,這樣周而復始的工作,實現實時跟蹤的目的。為了節(jié)電,當程序查詢出光強達到一定值時系統(tǒng)才開始跟蹤,低于另一個值時即停止跟蹤,消除了振蕩現象;在多云或陰天要控制電機間歇工作,而在夜間則自動關閉電源,達到節(jié)電的目的。4系統(tǒng)硬件設計4.1溫度調節(jié)控制單元如圖3所示,其中光敏電阻RP1,RT1,Rcds1和RT2,RP2,Rcds2組成水平光強測量電路,RP1,RT1,Rcds1(或RP2,RT2,Rcds2)和Rcds2,RT3,Rcd3組成垂直方向光強測量電路。電位器RPX是為了在初始狀態(tài)時進行測量電壓范圍的調整,以使在各種光強狀態(tài)下所測出的電壓在規(guī)定的電壓和精度范圍內。在調整時,應模擬實際最大和最小光強,在該狀態(tài)下測量輸出電壓值應在VCC~0V之間。為實現系統(tǒng)的全天候工作,減小系統(tǒng)受溫度的影響,在該電路中還增加了具有負溫度系數的熱敏電阻RTX,以補償溫度的影響。控制單元采用了PIC16F88微處理器,18引腳DIP18封裝。該處理器具有工作速度快、功耗低、功能強大等優(yōu)點。微處理器的3個引腳分別接測量單元的3路模擬信號。利用微處理器內自帶的10位A/D轉換器,將代表光強的電壓信號進行數字量化,并進行數據的分析、計算和處理。微處理器的輸出引腳接驅動芯片LMD18245的數字控制輸入端,實現對電機的控制和驅動,并可實現對驅動電路的關閉,以達到節(jié)電的目的。驅動單元采用當今先進的電機驅動芯片LM18245,是美國國家半導體公司采用新型電流敏感技術生產的新一代DMOS全橋電機驅動器,可用于有刷直流電機或單相雙極性步進電機的驅動控制。該芯片具有驅動能力強、控制安全可靠、精度高和電壓范圍寬等特點,適合驅動中小功率的直流電機。機械傳動機構包括:齒輪傳動機構和減速機構。方位角和傾斜角傳感器輸出的光強信號經微處理器處理,驅動電機,電機的轉速經過減速機構和傳動齒輪減速后帶動太陽能電池陣列板在水平和垂直方向上跟蹤太陽。調整速度由傳動比決定,減速箱和傳動齒輪速比之和為n,轉動角速度ω;減速電機輸出轉速為v轉動速度由下式求出:ω=2πvnω=2πvn4.2太陽能電池板跟蹤太陽當清晨太陽升起,通過光敏電阻RP1,RT1,Rcds1和RT2,RP2,Rcds2和Rcds2,RT3,Rcd3組成的光強測量電路,將代表各方向光強的電壓信號送入微處理器,進行A/D轉換,當光強達到能夠使光伏電池輸出足夠的功率時,啟動跟蹤系統(tǒng),電機帶動太陽能電池板自東向西,在水平和垂直方向逐漸對準太陽,開始“跟蹤太陽光”,完成初始化設置。由于遮光板的存在,若太陽能電池板在水平方向上沒有完全對準太陽,存在一定角度偏差,則微處理器所檢測到的兩組數據不等。微處理器會根據其偏差值,發(fā)出指令控制方位角調整電機轉動相應的角度。直到測得數據相等(或在允許精度范圍以內)為止。垂直方向上調整亦然。隨后進入“查詢”狀態(tài),此時,電機停止工作。當太陽能電池板偏離光線一定角度后再次開始“跟蹤”。就這樣一直跟隨太陽光轉動直到天黑。如遇霧天,為節(jié)電,系統(tǒng)處于“待機”狀態(tài),驅動電路和電機都停止工作;如遇到破壞性的大風和雷電天氣時能自動斷電停機。當天黑后,電機先帶動太陽能電池板由西方“返回”,面向東方的初始位置,然后將整個系統(tǒng)斷電停機,只需要為傳感器和微處理器留出工作電源,能維持監(jiān)測功能即可。4.3多次采集、取中心的方法,進行數字濾波系統(tǒng)控制軟件主要對光線的角度和光強數據進行處理,從而得出太陽能電池板與光線的角度偏差。因此,在軟件設計時采用多次采集,取平均值的方法進行數字濾波,減小了測量誤差,提高了控制精度。另外,數據的采集采用了定