基于AVRmegal16的二維太陽光自動跟蹤系統設計

趙強松, 梁 芬

(中原工學院 信息商務學院, 河南 鄭州 450007)

基于AVRmegal16的二維太陽光自動跟蹤系統設計

趙強松, 梁 芬

(中原工學院 信息商務學院, 河南 鄭州 450007)

為了最大效率地利用太陽能,設計了基于AVRmegal16單片機的二維太陽光自動跟蹤系統。該系統包括信號采集模塊、控制器模塊和機械執行部分。經測試,可以在不同天氣狀況下自動調整并使光伏電池板始終和太陽光入射角保持垂直。具有跟蹤精度高、結構簡單、能耗低等優點,且不存在追蹤死區,具有較高的使用價值。

光伏電池板； 自動跟蹤； AVR單片機

太陽能是目前使用較廣泛、技術較成熟的一種可再生能源,具有清潔無污染、取之不盡用之不竭等特點,其發展前景越來越受到人們的重視[1]。光伏發電可將太陽能量直接轉換為電能,而且無噪聲、無污染、無需燃料,具有廣泛的應用前景[2-3]。普通光伏發電裝置的光伏電池板傾角固定不變,因而白天只有很短時間的太陽光垂直照射光伏電池板,影響光伏發電的效率[4]。目前提高光伏發電系統利用率的途徑主要有3種[5-7]:提高光伏電池的轉換效率；提高變換器的效率；提高太陽輻射的利用率。現有技術條件下,光伏電池的轉換效率已經達到極限,再提高將大大增加應用成本,且技術很難。變換器的轉換效率也很難有大的提高。而太陽光自動跟蹤系統能夠保證太陽光入射光線始終與光伏電池板保持最佳角度,從而提高光電轉化效率,是目前提高光伏發電效率最好途徑[8-11]。

本文以高性能、低功耗單片機AVRmegal16作為控制器,采用2個電動推桿根據光敏電阻值的變化,控制光伏板在三維空間跟蹤太陽高度角、方位角,實現對光伏電池板的實時控制,使光伏電池板始終垂直于太陽光入射方向,提高太陽光利用效率。

1 系統總體設計

太陽光自動跟蹤系統分機械傳動系統和自動控制系統。由于太陽光線的入射角是隨時間而變化,因此本文所設計的機械傳動系統采用二維極軸,實現方位角和高度角實時跟蹤。機械傳動系統由萬向節和電動推桿等組成，見圖1。萬向節將太陽能光伏電池板與支撐軸相連接,彼此之間可靈活轉動。執行機構采用電動推桿,電動推桿是一種將電機的旋轉運動轉變為推桿的直線往復運動的電力驅動裝置,其底端固定在支撐軸上,而頂端通過萬向節與光伏板的兩邊相連,可以從方位和角度調節電池板。

圖1 機械結構

自動控制系統采用光敏電阻的阻值作為傳感器輸入信號,低功耗單片機AVRmega16作為控制器,步進電機為執行機構,實現太陽光伏電池板始終與太陽光在2個方向保持垂直。光敏電阻固定在光線采集面上,當太陽光方向發生變化時,光敏電阻采集到偏差信號,并送給控制器,控制器經過內部程序計算,輸出控制信號驅使控制電動推桿內的步進電機動作,進一步帶動機械傳動裝置轉動,從而推動太陽光伏電池板旋轉,保證太陽光伏電池板實時與太陽光垂直,達到精確跟蹤太陽光的目的。系統總體結構框圖見2。

圖2 太陽光自動跟蹤系統總體結構框圖

2 系統硬件設計

硬件電路主要包括：控制器最小系統、傳感器模塊、推桿驅動電路模塊和電源管理模塊。

2.1 控制器最小系統

為了提高太陽能利用率,自動跟蹤系統要比固定角度光伏電池消耗更多的能量,因此,自動跟蹤系統在工作過程中要采用低功耗設計。本設計中控制器采用AVR公司生產的高性能、低功耗的8位單片機AVRmega16,該單片機指令精簡,編程方便,且功能完全能滿足自動跟蹤控制系統的要求。AVRmega16最小控制系統如圖3所示。

圖3 AVRmega 16最小控制系統

2.2 傳感器控制電路

傳感器的選擇是自動跟蹤系統能否實現精確跟蹤的關鍵。有文獻采用精度很高的光敏傳感器,大大增加了系統成本[12]。光敏電阻具有靈敏度高、結構簡單、體積小、性能穩定、成本低等特點而廣泛用于光電控制、自動報警等場合。當太陽光角度發生變化時,信號采集裝置的擋板將遮擋照射到光敏電阻的光線,光敏電阻的電導率會隨之發生改變,光敏電阻輸出信號只與照射在光敏電阻上光強的相對值有關,幾乎不受外界環境的干擾,增強了裝置的抗擾動能力。傳感器信號采集電路如圖4所示，其中,接口J12連接到A/D轉換芯片TLC2543上,然后將數字信號傳給控制器單片機AVR Rmega16。

圖4 傳感器信號采集電路

當太陽光入射角發生變化時,擋板會把光敏電阻陣列中的一個或幾個遮擋住,導致其受光不均,電阻值發生變化。控制芯片通過測量光敏電阻值,計算出太陽能電池板角度和入射光角度的偏差,根據偏差信號的大小控制執行機構動作。系統不斷進行檢測,以保證4個光敏電阻受光一致,這樣就可以保證太陽能電池板的受光面始終垂直于入射光。傳感器排列方式如圖5所示,其中紅色圓圈表示光敏電阻,藍色為基板,灰色為不透明遮擋板。

圖5 傳感器排列示意圖

2.3 推桿驅動電路

電動推桿是執行機構,靠內置步進電機的旋轉運動變為直線運動來推動光伏電池板調整角度。電機采用L298N作為驅動芯片,其驅動電路見圖6。調試后,2個電動推桿可以避免光伏電池板進入死區。

圖6 電動推桿驅動電路

2.4 電源電路

控制系統的電源可采用鋰電池,也可將光伏電池板發的電經過變換后為控制系統供電。太陽能充電控制器用來保護蓄電池,防止充電過量,即當蓄電池充滿時,切斷充電電流。

3 系統軟件設計

系統采用C語言編程,并采用WinAVR(GCC)作為編譯軟件,AVR studio作為仿真軟件[13]。主程序流程圖見圖7。系統初始化后,開始讀取光敏電阻的信號,經A/D轉換芯片TLC2543轉換后,輸入到控制器,控制器經過比較和判斷,決定2個電動推桿的進程,給出驅動器控制信號,驅動步進電機工作,調整光伏電池板高度角和方位角,使其始終和太陽光入射方向垂直。此外,系統加裝DS1302 實時時鐘芯片,夜晚整個系統處于待機狀態；白天每隔半小時(時間可調)啟動一次系統,執行檢測光照和調節電池板角度動作,然后再次使系統處于待機狀態,這樣可以大大降低系統損耗。

圖7 主程序流程圖

4 測試結果

測試結果見圖8和圖9(測試時間2014年8月2號,地點為河南省鄭州市,當日天氣晴朗無云,溫度26°/34°)。

圖8 自動跟蹤角度與標準值誤差曲線

圖9 太陽能輻射強度對比曲線

從測試結果可以看出,采用太陽光自動跟蹤裝置后提高了太陽輻射的利用率。

5 結束語

對本二維太陽光自動跟蹤系統在陰天、云層短時遮擋、系統掉電恢復等多種情況下進行了模擬測試,系統均能自動調整到正常狀態,并保持穩定工作。

本文設計的二維太陽光自動跟蹤系統,采用光敏電阻作為傳感器采集太陽光信號,單片機處理后驅動兩個電動推桿工作,使光伏電池板始終和太陽光垂直,具有跟蹤精度高、結構簡單、能耗低等優點,且不存在追蹤死區,無累積誤差。系統能夠穩定、可靠地對太陽光進行精確追蹤,提高了光伏發電的效率,具有一定的應用價值。

References)

[1] 閆云飛,張智恩,張力,等.太陽能利用技術及應用[J].太陽能學報,2012(增刊1):47-56.

[2] 施燕萍.太陽能光伏發電組件接線盒的模塊化設計[J].機電工程，2012,29(2):230-233.

[3] 王偉,吳犇,金科,等.太陽能光伏/市電聯合供電系統[J].電工技術學報,2012,27(10):249-254.

[4] 李建昌,王紫瑄,侯雪艷,等.一種太陽能集熱器自動尋光系統設計[J].可再生能源,2012,30(8):24-27.

[5] 李建林,周世勃.一種新型的太陽光伏發電跟蹤系統設計[J].電氣應用,2009,28(10):68-71.

[6] 李文才,石巖,孫士蔚.單驅雙軸聯動太陽自動跟蹤傳動裝置研究[J].制造業自動化,2015,37(3):134-136.

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[8] 卞新高,楊縫縫,辛秋霞.一種大范圍太陽光線自動跟蹤方法[J].太陽能學報,2010,31(10):1298-1303.

[9] 向歡,匡迎春,姚幫松,等.一種新型太陽能光電自動跟蹤系統[J].湖南農業大學學報,2013,39(1):103-106.

[10] 王林軍,邵磊,門靜,等.太陽能自動跟蹤系統的研究現狀及展望[J].中國農業化學報,2014,35(1):283-287.

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[12] 劉俊,劉京誠,謝磊,等.太陽光自動跟蹤裝置設計[J].機床與液壓,2010,38(9):45-48.

[13] 譚浩強.C程序設計[M].4版.北京:清華大學出版社,2012.

Design of two-dimensional solar light tracking system based on AVRmegal16

Zhao Qiangsong, Liang Fen

(College of Information & Business,Zhongyuan Institute of Technology, Zhengzhou 450007, China)

In order to take full advantages of the solar energy, a two-dimensional solar light automatic tracking system based on AVRmegal16 microcontroller is designed.This system consists of a signal acquisition module, a controller module,and mechanical execution part.The experiment results show that it can adjust automatically and keep the photovoltaic panels and the sun incident angle vertical consistently.The system has advantages such as high tracking accuracy,simple structure,low power consumption,and no tracking dead zone.

photovoltaic cell panel; automatic tracking; AVR microcontroller

2015- 03- 31 修改日期：2015- 04- 28

河南省高等學校重點科研項目計劃資助(15A413020)

趙強松(1982—)，男，河南鄭州，碩士，講師，在讀博士研究生，主要從事光伏發電、逆變器控制方面的研究.

E-mail：lf01023354@163.com

TK51；TP272

A

1002-4956(2015)8- 0091- 03