基于平衡式陣列的光電傳感太陽跟蹤系統

黃彥智,何 寧,趙佳慶

基于平衡式陣列的光電傳感太陽跟蹤系統

黃彥智,何 寧,趙佳慶

(桂林電子科技大學信息與通信學院,廣西桂林 541004)

為了提高太陽能電池的能量轉化效率,依據太陽運行規律和季節的變化特點,設計了一種光電跟蹤和太陽軌道跟蹤相結合的實時太陽跟蹤系統。采用平衡式陣列光電傳感與時鐘計算組合方法,分析太陽運動軌跡與方位控制對陽光跟蹤與能量轉換效率的影響,基于四元陣光電傳感對太陽運動軌跡與方向變化的陽光跟蹤光電控制系統原理,通過光照強弱與時鐘計算太陽歷史位置進行快速跟蹤。實驗結果表明,該系統能實現太陽位置的二維實時跟蹤和太陽能電池姿態控制,在光強大范圍變化條件下也可精確地跟蹤,大大提高了太陽光的利用率。

平衡式光電傳感;太陽能;硅光電池;陽光跟蹤;方位控制

太陽能作為新能源的代表,以其分布廣、可循環利用、儲量大、安全無污染等優點在能源更替中具有無可替代的地位。然而,它也存在能流密度較低、能量間歇性、光照方向和強度隨時間變化等問題,這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求[1-2]。太陽能電池是一種半導體器件,其光電轉換能量的多少,除了受自身制作工藝和材料影響外,還與能量轉化效率有關。太陽跟蹤系統能保持太陽能電池板正對太陽,使陽光垂直照射于電池板,獲得最大轉換效率。研究表明,單軸跟蹤系統能提高發電量20%左右,而雙軸跟蹤系統能提高發電量達35%[3-4]。太陽跟蹤系統主要有光電傳感模式、視日運動軌跡模式和綜合模式,其中綜合模式跟蹤效果較佳,但也存在缺點,如可追蹤角度小,抗干擾性差,容易跟錯或丟失目標,函數運算復雜,增加功耗[5-6]。針對現有太陽跟蹤系統的不足,提出一種新四元陣列光電池傳感跟蹤和歷史軌跡跟蹤相結合的跟蹤系統。該系統具有追蹤精確、抗干擾性強等特點,能大大提高太陽光的利用率。

1 平衡式四元陣列陽光跟蹤原理

平衡式四元陣列陽光探測器主要由4塊硅光電池組成,光電傳感器模型如圖1所示,底部為陣元的光學結構,每個象限由一個獨立的硅光電池構成,陽光經過凸透鏡聚光形成均勻光斑,四元陣列硅光電池放置在透鏡適當的焦面上。當太陽光線垂直于電池的感光面時,光斑圓心與四象限坐標原點重合,此時4個硅光電池電流在閾值范圍內相等,其輸出處于平衡狀態;若入射光線與陣列感光面法線成角度入射,光斑成像落在4個象限的面積不相同,硅光電池輸出的電流信號幅值不等,則輸出處于非平衡狀態,控制器根據4個象限的輸出信號狀態,調整陣元光電傳感姿態,即可對入射陽光進行定位跟蹤。由于光電池具有較大的光敏面,與大口徑光學天線構建的系統結構簡單,若采用光敏面較小的光電二極管,光學系統要求苛刻,且可追蹤角度小,在光強大范圍變化條件下,對陽光跟蹤不利。

圖1 光電傳感器模型Fig.1 Photosensor model

本系統設計一種采用“光桶式”的光電傳感器,圖1表示在光線垂直入射經過透鏡聚焦時,光斑能均勻落在傳感器底部的四元陣列光電池上,且光斑隨光線的入射角增大而偏移,當光斑偏移足夠距離,離開陣列硅光電池,底部傳感器就無法給出相應位置光電信號[7]。定義此時入射光線與光桶底面法線夾角α為最大追蹤角,即光線入射角度小于最大追蹤角α時,傳感器能判斷太陽位置,當光線入射角度大于α時,則傳感器的輸出信號無效。若以地球為靜止參照物,則可認為太陽每隔1 h直射范圍橫跨經度15°[8],所以,圓錐形傳感器增加底部寬度,使α角變大,在多云間晴的天氣也能穩定地對太陽進行定位跟蹤,提高了跟蹤可靠性。

2 系統設計與實現

圖2所示為系統硬件框圖,可分為光電采集、單片機控制和上位機通信3個部分。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

光電采集部分包括四元陣列傳感器、可調跨阻放大電路和電流檢測電路。四元硅光電池陣列傳感器與太陽能板放置在同一平面,且由云臺電機控制同步轉動。硅光電池以電流信號輸出,而微處理器的有效輸入為電壓信號,因此,需要跨阻放大電路進行轉換。可調跨阻放大電路除了能將傳感器電流信號轉換為電壓信號外,還可調節4塊硅光電池輸出參數的一致性。處理器選用單片機STC12C5A16S2,其運算速度為普通51單片機的12倍,且自帶8路10位A/D轉換,簡化了外圍硬件電路。信號經過跨阻放大電路進入單片機處理后,計算出方位角和高度角,通過可控硅開關電路控制云臺電機轉動方向完成追蹤。當天氣不理想啟動歷史軌跡跟蹤時,上位機根據當前時間從數據,庫中提取歷史對應時間的角度數據,返回給單片機,單片機發出指令控制云臺電機轉動,完成歷史軌跡跟蹤。

2.1 方位控制算法

四象限輸出電流經跨阻放大電路轉換成電壓信號分為A、B、C、D四部分,依據太陽角度變化,位置跟蹤按先方位角后高度角的順序進行。以Y軸分成AD和BC兩邊電壓,調整前先判斷AD和BC電壓大小,若電壓差值大于設定閾值(0.03 V),電機進行方位角調整,通過循環比較,直到電壓差小于等于閾值為止。同理,以X軸分成AB和CD兩邊電壓,經過方位角的調整后,A和B的狀態相同,C和D的狀態相同,所以,AB和CD的電壓差可簡化為比較A和D(B和C)的電壓差。當A和D的電壓差高于閾值時,電機進行高度角調整,經重復比較調整使差值小于或等于閾值,完成高度角跟蹤。跟蹤算法流程如圖3所示。

圖3 方位控制算法流程Fig.3 Flow chart of orientation control algorithm

2.2 太陽歷史軌跡跟蹤

本系統采用歷史軌跡跟蹤,即太陽前一時刻軌跡跟蹤。歷史軌跡跟蹤通過存儲單元記錄跟蹤裝置在歷史對應時間的方位角和高度角,當陰雨天或復雜天氣不適用光電跟蹤模式時,控制器從存儲單元中調出與當時最接近的一次歷史對應時間記錄的數據,確定當前跟蹤裝置角度。

系統實驗采用小功率太陽能電池板對歷史跟蹤模式和固定模式2種狀態進行測試,其參數為Pmax=4 W,Vpm=20 V,Ipm=190 m A。在太陽光照時間內對比陰天5個不同時刻測試的輸出功率。從實驗結果可知,只有在中午12:00,2塊太陽能板受光面位置一致,太陽可正射到2塊太陽能板,其輸出功率大致相同,而在其他時刻,由于2塊太陽能板的受光面位置不同,歷史軌跡跟蹤方式下的太陽能板跟隨太陽運動軌跡移動,其輸出功率明顯高于太陽能電池板與地平面固定夾角為0°的輸出功率。

2.3 平衡式光電傳感器電平轉換電路

采用4塊硅光電池構成平衡式陣列傳感器,每塊光電池輸出信號是相互獨立的,單片機通過A/D轉換獲取對應四路傳感電信號,通過運算判斷輸出是否達到平衡狀態,調整硅光電池傳感器姿態,以保證太陽能電池獲取到最大光能。圖4為平衡式四元光電傳感器與單片機連接關系。

圖4 四元傳感橋臂連接圖Fig.4 Four-element sensor connection diagram

由于光電傳感器的輸出電參數與單片機不匹配,需對光電傳感器輸出的電流信號轉換為標準的TTL電平,才能送單片機進行處理。圖4中的單片機內部A/D轉換模塊,通過軟件設置可選擇逐次比較型的10位轉換工作方式,速度可達250 k Hz。4個光電傳感器輸出經電平轉換后得到4路電平信號送單片機的P0口進行判斷,若4個電平相等,表示四元陣列光電池處于平衡狀態,此時陽光正射于陣列的中心位置,否則陽光處于斜射狀態,P0口的4個電平不相等。圖5為光電傳感器的跨阻放大和電壓采集組成的電流與電壓轉換電路。

圖5 電流與電壓轉換電路Fig.5 Current-to-voltage acquisition circuit

在理想運放條件下,輸入電阻RI=0,故輸出電壓

其中:IS為光電傳感器輸出電流;RF為反饋電阻。實際輸入電阻不可能等于零,因此,RF越大,轉換精度越高。

為了保證單片機輸入端得到標準TTL電平,系統采用電阻分壓法,且在采樣電阻R2旁并聯一個5 V穩壓二極管。電位器R1可調節分壓比和A/D校準。根據分壓原理,電壓關系為:

其中:UT為傳感電流轉換后電壓;R1為電位器電阻; R2為采樣電阻。R1、R2已知,故由式(2)計算可得A/D轉換端口的輸入電壓UO。

3 系統測試與數據分析

太陽能電池傳感陣列與太陽運動的位置關系如圖6所示。太陽方位角指太陽光線在地平面的投影與子午線的夾角,可近似看作豎立在地面上的直線在陽光下的投影與正南方的夾角。方位角以正南方向為零,由南向東向北為負,由南向西向北為正[9]。實驗采用雙電機二維機械結構對太陽的高度角和方位角進行精確跟蹤,實時調整太陽能電池板姿態。

圖6 太陽能電池傳感陣列與太陽位置的關系Fig.6 Positional relationship between the solar sensor array and the sun

實驗包括太陽高度角和方位角跟蹤測試、陽光跟蹤控制太陽能電池輸出功率測試兩部分。測試地點:某實驗大樓頂樓天臺(東經110.28°,北緯25.28°);時間:2014-12-20T9:00-17:00;天氣:晴轉多云。

3.1 太陽角度跟蹤測試

在陽光跟蹤控制太陽能電池跟蹤系統的性能測試過程中,每隔30 min對系統進行一次角度數據采集,將實測所得的太陽跟蹤系統轉動角度的實際值與理論計算所得的當天該時段太陽位置數據進行對比擬合,跟蹤測試曲線如圖7所示。

經系統的陽光角度跟蹤的實測數據和公式計算數據比較[10],結果差異在2°范圍內。本結果與計算結果差異在可接受范圍內,說明本系統的太陽角度跟蹤性能良好。

圖7 太陽角度跟蹤測試Fig.7 The solar angle tracking test

3.2 太陽能電池輸出功率測試

測試實驗采用2塊規格型號完全相同、最大功率為4 W的太陽能電池板。一塊安裝在陽光跟蹤裝置上,電池正面與四元陣列光電傳感器在同一平面;另一塊與地面夾角成0°擺放。每隔30 min記錄一次2塊電池的輸出功率,太陽能電池輸出功率曲線如圖8所示。

圖8 太陽能電池輸出功率曲線Fig.8 Output power curve of solar cell

從圖8可看出,太陽跟蹤系統的輸出功率隨時間變化的轉換效率高于固定位置的系統,其跟蹤后功率提高的比率特性如圖9所示。

圖9 功率提高比率特性Fig.9 Power increase ratio

實驗測試結果表明,在同等輻射照度情況下,平衡式四元陣列太陽跟蹤系統控制下太陽能電池的輸出功率比平放在地平面上的太陽電池板的輸出功率大得多。從圖9可看出,上午9:00輸出功率提高73.3%;中午12:30,2塊太陽能電池板的陽光入射角度差值最小,僅提高15.6%;下午16:00陽光入射角差值變大,輸出功率提高達78.1%。

4 結束語

設計了一種采用平衡式陣列光電傳感跟蹤與太陽歷史軌跡跟蹤相結合的太陽跟蹤系統。實驗測試表明,系統在太陽高度角和方位角2個自由度能自動完成二維跟蹤,與太陽的運動軌跡保持同步,使入射陽光時刻垂直于太陽能電池板受光面,大大提高了太陽能電池的轉換效率。在陰雨天氣啟用歷史軌跡跟蹤,實現2種模式相結合,保證了系統在復雜天氣環境的穩定性,為太陽能技術應用發展提供一種有效的技術途徑。

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編輯:梁王歡

Sun tracking system based on balanced array photoelectric sensor

Huang Yanzhi,He Ning,Zhao Jiaqing

(School of Information and Communication Engineering,Guilin University of Electronic Technology,Guilin 541004,China)

Based on the sun rules and the seasonal changes,a sunlight real-time tracking system that combines photoelectric tracking and sun orbital tracking is designed.It adopts the method that combines balanced array photocell sensor with clock calculation to analyze how the trajectory of the sun and the battery azimuth control affects the efficiency of sun tracking and energy conversion.It discusses the solar photoelectric tracking control system theory of how the four-element array changes with the trajectory of the sun.The sunshine is quickly tracked through illumination changes and historical trajectory.The experimental result shows that it can achieve the two-dimension real-time tracking and battery management of the sun position and make accurate tracking on condition that the light intensity changes within a wide range,which greatly improves the utilization rate of the sunlight.

balanced photoelectric sensor;solar energy;silicon photocell;solar tracking;azimuth control

TP212;TK513.4

A

1673-808X(2015)05-0377-05

2015-05-16

廣西科學研究與技術開發計劃(桂科攻14124005-2-5);桂林電子科技大學研究生教育創新計劃(GDYCSZ201417)

何寧(1958-),男,廣西鐘山人,教授,研究方向為光通信。E-mail:eicnhe@guet.edu.cn

黃彥智,何寧,趙佳慶.基于平衡式陣列的光電傳感太陽跟蹤系統[J].桂林電子科技大學學報,2015,35(5):377-381.