一種基于雙軸的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置

張新亮

（南通紡織職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南通 226007）

0 引言

能源是人類(lèi)生存發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，當(dāng)前，隨著全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，包括我國(guó)在內(nèi)的各國(guó)對(duì)能源的需求與日俱增。太陽(yáng)能作為一種可再生的新能源，受到世界各國(guó)的關(guān)注。如何提高光伏組件的能量轉(zhuǎn)換效率一直是太陽(yáng)能利用的焦點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的自動(dòng)跟蹤是提高光伏組件轉(zhuǎn)換效率的有效方法。據(jù)相關(guān)研究指出，光伏發(fā)電陣列進(jìn)行太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤時(shí)，可以比固定式陣列提高33%的效率［1］，且太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤越精確，其發(fā)電效率越高。基于以上目的，本文提出了一種基于雙軸的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置。

1 硬件結(jié)構(gòu)組成

圖1為太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)框圖，該裝置為基于Msp430F149單片機(jī)的雙軸跟蹤裝置。系統(tǒng)可以在方位角、高度角兩個(gè)自由度上跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡。本裝置由四象限探測(cè)器、時(shí)鐘電路、信號(hào)處理及控制電路、方位角及高度角調(diào)整模塊組成。

圖1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)框圖

1.1 四象限探測(cè)器的結(jié)構(gòu)及工作原理

當(dāng)四象限探測(cè)器接收陽(yáng)光時(shí)，將會(huì)在光敏探測(cè)器上產(chǎn)生光斑，當(dāng)光斑的中心與四象限探測(cè)器的中心不重合時(shí)，則說(shuō)明太陽(yáng)的位置發(fā)生了偏移。圖2為光斑與四象限探測(cè)器中心位置關(guān)系，圖2（a）為兩個(gè)中心相重合，即信號(hào)采集傳感器與陽(yáng)光照射方向相垂直；圖2（b）為兩中心不重合，用Δx表示光斑與四象限探測(cè)器中心位置在x軸上的偏差量，Δy表示在y軸上的偏差量。

1.2 電流信號(hào)處理電路

四象限探測(cè)器輸出的信號(hào)類(lèi)型是微弱電流信號(hào)，A/D轉(zhuǎn)換芯片只能夠?qū)﹄妷盒盘?hào)進(jìn)行處理，因此需要信號(hào)處理電路將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成A/D采集模塊識(shí)別的電壓信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路如圖3所示。

圖2 光斑與四象限探測(cè)器中心位置示意圖

圖3 四路電流轉(zhuǎn)電壓信號(hào)電路

由計(jì)算可得到太陽(yáng)光線在x和y方向的實(shí)際偏差值：

其中：U1，U2，U3，U4為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換電壓；R為太陽(yáng)光的偏移角度。圖3中，IN1，IN2，IN3，IN4為四路光電流信號(hào)，圖4反相電路同樣采用LM148，輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)反相跟隨后輸出A/D轉(zhuǎn)換芯片能夠識(shí)別的電壓信號(hào)AD0、AD1、AD2、AD3。

圖4 反相電路

1.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示，該電路可以對(duì)控制電路輸出的脈沖進(jìn)行環(huán)形分配和功率放大，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)控制電路發(fā)出一個(gè)脈沖信號(hào)和一個(gè)正方向信號(hào)時(shí)，通過(guò)DMD403進(jìn)行環(huán)形分配和功率放大后，步進(jìn)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)DIR端口加負(fù)方向信號(hào)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖5 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

2 軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)自動(dòng)跟蹤是在Msp430F149［2］單片機(jī)的協(xié)調(diào)控制下完成，主程序流程圖見(jiàn)圖6，系統(tǒng)的軟件程序主要由中斷程序及若干子程序組成。軟件部分主要完成以下工作：

（1）開(kāi)機(jī)初始化：包括單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器初始化、模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊初始化等。

（2）時(shí)間判斷：判斷裝置運(yùn)行的時(shí)間是否在8：00～18：00之間，若不在8：00～18：00之間時(shí)，自動(dòng)跟蹤裝置停止工作；根據(jù)地區(qū)的不同，裝置可以由軟件改動(dòng)時(shí)間，到18：00之后，自動(dòng)跟蹤裝置停止工作并固定在原位置直至20：00，之后復(fù)位。

（3）跟蹤方式選擇：晴天時(shí)，系統(tǒng)選擇光電式跟蹤；否則，采用時(shí)鐘式跟蹤。

基于雙軸的自動(dòng)跟蹤裝置采用光電式跟蹤和時(shí)鐘式跟蹤相結(jié)合的方式，兩種跟蹤方式可自動(dòng)切換。光電式跟蹤實(shí)時(shí)采樣太陽(yáng)的空間位置數(shù)據(jù)，通過(guò)控制電路來(lái)比較分析太陽(yáng)運(yùn)行軌跡變化，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)跟蹤太陽(yáng)的位置。時(shí)鐘式為輔助跟蹤，在烏云或陰天等天氣條件較差的情況下，采用此方式跟蹤控制。太陽(yáng)每天轉(zhuǎn)動(dòng)360°，假設(shè)裝置每N分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)一次，則一天中裝置每次應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)（N/4）°，該太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的N取值為5min［3］，即每5min跟蹤裝置轉(zhuǎn)動(dòng)1.25°。在天氣晴朗時(shí)，太陽(yáng)光較強(qiáng)，裝置采用光電式跟蹤模式；在有烏云或陰雨天等較差天氣條件下，由于光線較弱，裝置將自動(dòng)切換到時(shí)鐘式跟蹤模式。

圖6 主程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)論證

取兩組性能參數(shù)相同的光伏組件，一組按當(dāng)前地理位置的最佳角度固定式安裝，另一組運(yùn)用自動(dòng)跟蹤裝置，圖7（a）為晴朗的天氣條件下，測(cè)試兩組光伏組件得到的采樣光強(qiáng)；圖7（b）為中午前后突然降雨，兩組光伏組件采樣的光強(qiáng)。

圖7 雙軸跟蹤與固定式安裝光伏系統(tǒng)的采樣光強(qiáng)

比較兩種安裝方式在不同天氣情況下的采樣光強(qiáng)。晴朗天氣條件下，固定安裝式的光伏組件全天只在11：00～14：00這段時(shí)間，共計(jì)3h左右，光強(qiáng)達(dá)到1 000W/m2。自動(dòng)跟蹤式的光伏組件光強(qiáng)達(dá)到1 000 W/m2左右，時(shí)間則從9：00～16：00，近7h。在天氣突變條件下，雙軸跟蹤方式相比于固定式，光伏組件接收了更多的太陽(yáng)能。根據(jù)以上采樣數(shù)據(jù)，可以計(jì)算得出：晴朗天氣下，固定安裝的光伏組件全天平均接收光強(qiáng)為622.8W/m2，自動(dòng)跟蹤式的全天平均接收光強(qiáng)為873.4W/m2，可增加發(fā)電功率40.2%；天氣突變情況下，固定安裝光伏組件全天平均接收光強(qiáng)為497.3 W/m2，自動(dòng)跟蹤式的全天平均接收光強(qiáng)為715.4W/m2，可增加發(fā)電功率43.8%。

4 結(jié)論

（1）本太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置采用光電跟蹤和時(shí)鐘式跟蹤相結(jié)合，克服了天氣影響、誤差累積等缺點(diǎn)，并能自動(dòng)檢測(cè)光強(qiáng)的變化。該太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的跟蹤精度高，可靠性較好。

（2）通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可得，與固定安裝相比，自動(dòng)跟蹤裝置的太陽(yáng)能利用率提高了40%左右。該跟蹤裝置成本較低，效果好，具有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

［1］Gay C F，Yerkes J W，Wilson J H.Performance advantages of two-axis tracking for large flat-plate photovoltaic energy system［C］//Proceedings of 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.［s.l.］：IEEE，1982：1368-1371.

［2］張朋濤，肖世德，黃燦泉.基于MSP430單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)電工程技術(shù)，2005，34（11）：36-37.

［3］馮小強(qiáng)，宋偉峰，宋婉貞，等.太陽(yáng)跟蹤裝置［J］.電子工業(yè)設(shè)備專用，2010（11）：17-18，40.