視日軌跡太陽(yáng)能反饋跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐煒君 原大明

(東北石油大學(xué)秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

視日軌跡太陽(yáng)能反饋跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐煒君 原大明

(東北石油大學(xué)秦皇島分校，河北 秦皇島 066004)

為了提高太陽(yáng)能發(fā)電效率，設(shè)計(jì)了一種以STC15W4K32S4單片機(jī)為核心，基于雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)的全天候視日軌跡太陽(yáng)能反饋跟蹤系統(tǒng)。給出系統(tǒng)的組成、原理、硬件模塊和實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，太陽(yáng)能跟蹤精度誤差在0.25～0.50°以內(nèi)，減少了系統(tǒng)累積誤差，實(shí)現(xiàn)了反饋控制的目的。

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng) 單片機(jī) 光強(qiáng)檢測(cè) 雙軸跟蹤 反饋控制

隨著能源問(wèn)題的日益突出，太陽(yáng)能作為一種最清潔、最環(huán)保、可永續(xù)的能源[1]，已受到了各國(guó)的重視。而在眾多提高太陽(yáng)能利用效率的研究方法中，太陽(yáng)跟蹤是一種有效的方法。實(shí)踐表明，采用跟蹤式方法，太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率可以提高30%以上[2]。

太陽(yáng)跟蹤的方法有多種，目前比較常用的方法主要有視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤[3,4]。前者根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，計(jì)算出太陽(yáng)能電池板應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，這種跟蹤方式的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生累計(jì)誤差且跟蹤系統(tǒng)自身無(wú)法消除這些誤差；后者受環(huán)境影響較大，尤其在多云或陰天時(shí)。在此，筆者采用以視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤為主、光電跟蹤為輔的跟蹤方式[5]，將光電跟蹤的結(jié)果反饋給視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤微調(diào)，達(dá)到閉環(huán)反饋控制的目的，避免視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤開(kāi)環(huán)控制的諸多缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)、精確的太陽(yáng)跟蹤。

1 系統(tǒng)的組成和原理

太陽(yáng)能反饋跟蹤系統(tǒng)(圖1)主要由單片機(jī)控制單元、光強(qiáng)檢測(cè)裝置、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)和太陽(yáng)能電池板組成。單片機(jī)控制單元根據(jù)當(dāng)前的地理位置和時(shí)間信息并結(jié)合太陽(yáng)坐標(biāo)模型計(jì)算出太陽(yáng)的方位角γ和高度角α，然后通過(guò)α、γ值計(jì)算電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)，驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)對(duì)雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行調(diào)整，保證太陽(yáng)光線時(shí)刻都垂直照射在太陽(yáng)能電池板上，提高系統(tǒng)的發(fā)電效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中利用光強(qiáng)檢測(cè)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)電機(jī)動(dòng)作所引起的光強(qiáng)變化信息，單片機(jī)控制單元根據(jù)該信息對(duì)太陽(yáng)能電池板的姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，這種反饋控制可以有效消除系統(tǒng)的累計(jì)誤差[6]，提高系統(tǒng)的跟蹤精度。

圖1 太陽(yáng)能反饋跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件部分

2.1單片機(jī)控制單元

單片機(jī)控制單元是整個(gè)系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)選用STC15W4K32S4單片機(jī)。STC15W4K32S4單片機(jī)是STC增強(qiáng)型8051單片機(jī)[7]，它支持寬電源電壓(2.4～5.5V)，具備在線編程與在線仿真功能，集成了大容量的程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和EEPROM，增加了定時(shí)器、串行口等基本功能部件，集成了A/D、PCA、比較器、專用PWM模塊及SPI等多功能接口部件，可極大地簡(jiǎn)化單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的外部電路，使單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)潔，系統(tǒng)性能更加高效、可靠。

2.2光強(qiáng)檢測(cè)裝置

光強(qiáng)檢測(cè)裝置(圖2)由4路GY-30型數(shù)字光強(qiáng)傳感器模塊組成。4路GY-30光強(qiáng)傳感器模塊分別位于光強(qiáng)檢測(cè)裝置XY水平面的象限點(diǎn)上。水平面分為東、南、西、北4個(gè)方向，將平面遮光擋板分別沿一三、二四象限的角平分線設(shè)置，同時(shí)用圓形遮光擋板將4路傳感器包圍在其內(nèi)部，這樣可以減少光線對(duì)相鄰傳感器的干擾。4路GY-30光強(qiáng)傳感器模塊將采集到的光強(qiáng)信息分別送入單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理。

圖2 光強(qiáng)檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖

GY-30型數(shù)字光強(qiáng)傳感器模塊主要利用BH1750FVI芯片來(lái)采集光強(qiáng)，BH1750FVI是一個(gè)16位的兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)傳感器集成電路，其光譜靈敏度接近視覺(jué)靈敏度，可以探測(cè)1lx～65535lx范圍內(nèi)的光強(qiáng)強(qiáng)度變化且分辨率較高。

2.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

單片機(jī)控制單元需要通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。為了達(dá)到太陽(yáng)跟蹤平穩(wěn)和高精度定位的要求，本系統(tǒng)選用MA860H細(xì)分型兩相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，該驅(qū)動(dòng)器采用18～80V(AC)或24～110V(DC)供電，適合驅(qū)動(dòng)電流小于8.0A、外徑57～86mm的兩相混合式步進(jìn)電機(jī)。該驅(qū)動(dòng)器采用交流伺服驅(qū)動(dòng)器的電流環(huán)進(jìn)行細(xì)分控制，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小，低速運(yùn)行平穩(wěn)，振動(dòng)和噪音低；高速時(shí)可輸出相對(duì)較高的力矩，定位精度高。

2.4雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)

跟蹤式太陽(yáng)電池板聚光增益明顯優(yōu)于固定式，而雙軸跟蹤式聚光增益又優(yōu)于單軸跟蹤式[8]。因此，本系統(tǒng)采用雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)(圖3)，在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下，雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)在水平、俯仰兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。這樣太陽(yáng)能電池板可以同時(shí)跟蹤太陽(yáng)的高度角α和方位角γ，使太陽(yáng)光線時(shí)刻垂直于太陽(yáng)能電池板，從而有效提高發(fā)電效率。

圖3 雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1太陽(yáng)坐標(biāo)模型

天文學(xué)上利用天球描述太陽(yáng)在空中的位置，并用地平坐標(biāo)系確定其具體坐標(biāo)。地平坐標(biāo)系以地平圈為基準(zhǔn)，用高度角α(0°<α<90°)和方位角γ(-180°<γ<180°)確定太陽(yáng)位置，其中高度角α為太陽(yáng)直射光線與地平面的夾角，方位角γ為太陽(yáng)直射光線在地平面上的投影線與正南方向的夾角，向西(順時(shí)針?lè)较?為正，向東(逆時(shí)針?lè)较?為負(fù)。本系統(tǒng)通過(guò)控制雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)方位角γ和高度角α的跟蹤。

太陽(yáng)高度角α和方位角γ之間的函數(shù)關(guān)系為[9]：

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中φ——測(cè)點(diǎn)緯度；

δ——太陽(yáng)赤緯角；

ω——時(shí)角。

一年內(nèi)第n天的太陽(yáng)赤緯角δ為：

時(shí)角ω為：

ω=(12-Tz)×15°

式中Tz——被測(cè)地點(diǎn)的真太陽(yáng)時(shí)。

3.2光強(qiáng)檢測(cè)裝置輔助跟蹤太陽(yáng)光的原理

系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的雙軸跟蹤，即實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高度角α和方位角γ的跟蹤。方位角γ通過(guò)光強(qiáng)檢測(cè)裝置東西方向的光強(qiáng)傳感器模塊進(jìn)行跟蹤，而高度角α則通過(guò)南北方向的光強(qiáng)傳感器進(jìn)行跟蹤。光強(qiáng)檢測(cè)裝置在安裝過(guò)程中，應(yīng)保證其水平面、太陽(yáng)能電池板的水平面和地平面三者平行，以確保正確地跟蹤太陽(yáng)高度角α和方位角γ的變化。

高度角α的跟蹤原理為：當(dāng)南北兩個(gè)方向的傳感器接收到的光強(qiáng)強(qiáng)度不一致時(shí)(即α≠90°)，南北向傳感器會(huì)輸出兩個(gè)不同的光強(qiáng)值，使光強(qiáng)差ΔL≠0；高度角α越偏離90°，ΔL的絕對(duì)值越大；根據(jù)ΔL的變化，單片機(jī)計(jì)算出步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)n，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以調(diào)整太陽(yáng)能電池板的姿態(tài)；在實(shí)際操作中，由于南北向傳感器參數(shù)的不一致性，很難找到使ΔL=0的位置，因此設(shè)置一個(gè)閾值ε，當(dāng)ΔL≠ε時(shí)就可以進(jìn)行太陽(yáng)能電池板的姿態(tài)調(diào)整。

方位角γ的跟蹤原理與高度角α相同。

3.3陰天和晚上的控制

在陰天和晚上時(shí)，系統(tǒng)處于待命狀態(tài)，太陽(yáng)能電池板歸位平放。系統(tǒng)借助光強(qiáng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到的4路光強(qiáng)信息判斷是否為陰天。系統(tǒng)的時(shí)間信息由高精度時(shí)鐘芯片DS12C887提供，芯片內(nèi)置晶振和鋰電池，無(wú)外部電源時(shí)芯片內(nèi)部自供電可長(zhǎng)達(dá)十年，因此在系統(tǒng)故障斷電維修時(shí)無(wú)需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間校準(zhǔn)。單片機(jī)控制單元根據(jù)該時(shí)間信息并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行地點(diǎn)的太陽(yáng)坐標(biāo)模型計(jì)算出系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間。

3.4軟件部分

系統(tǒng)軟件部分主要以單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)用戶程序用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用多任務(wù)方式和模塊化設(shè)計(jì)方法，各模塊和子程序在主程序的調(diào)度下有序地執(zhí)行各種功能。系統(tǒng)主程序、視日跟蹤子程序和微調(diào)子程序的流程如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

筆者在太陽(yáng)坐標(biāo)模型的基礎(chǔ)上，對(duì)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤進(jìn)行控制優(yōu)化，利用自制的光強(qiáng)檢測(cè)裝置實(shí)現(xiàn)了視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的反饋控制，克服了視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤容易產(chǎn)生累計(jì)誤差的缺點(diǎn)，提高了跟蹤精度。系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，可以自動(dòng)判斷運(yùn)行的天氣和時(shí)間條件，可實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)運(yùn)行。驅(qū)動(dòng)模塊MA860H的使用，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性和定位精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，跟蹤精度誤差在0.25～0.50°，對(duì)太陽(yáng)的準(zhǔn)確跟蹤提高了太陽(yáng)能的利用率，因此在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中具有巨大的應(yīng)用前景。

圖4 程序流程

[1] 陳海剛,張秀云,李練兵.基于網(wǎng)絡(luò)與MCGS組態(tài)軟件的光伏電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2013,40(11):1382～1385.

[2] 施云芬,王旭暉,張更宇,等.自動(dòng)追蹤太陽(yáng)能UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)[J].化工自動(dòng)化及儀表,2014,41(1):65～67.

[3] 張翠云,陳學(xué)永,陳仕國(guó),等.基于PLC的雙軸太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].福州大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,41(6):1051～1055.

[4] 張麗萍,馬立新,范忠,等.太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].低壓電器,2012,(20):30～33.

[5] 蘭建軍,陳杰輝,李超.光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)方向檢測(cè)方法研究[J].化工自動(dòng)化及儀表,2015,42(1):12～15.

[6] 張新亮.一種基于雙軸的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2015,(1):166～167.

[7] 朱嶸濤,徐愛(ài)鈞,葉傳濤.STC15單片機(jī)和nRF2401的無(wú)線門(mén)禁系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014,(6):57～60.

[8] 王民權(quán),鄒琴梅,黃文君,等.太陽(yáng)電池板不同運(yùn)行模式下的聚光增益[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2014,35(10):2015～2021.

[9] 王國(guó)安,米鴻濤,鄧天宏,等.太陽(yáng)高度角和日出日落時(shí)刻太陽(yáng)方位角一年變化范圍的計(jì)算[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2007,30(z1):161～164.

AbstractHaving the multi-data source fusion technology adopted to analyze and correlate oilfield professional data was implemented to provide the preparation for data query and data analysis in the oilfield management. Through employing data mining-based decision-making technology, the intelligent analysis of the key data was realized to benefit the data analysis free from artificial experience; and the specialization of data customization realized by Android platform-based mobile terminal push technology can master data changes at any time. Above-said technologies-supported oilfield management system can integrate the oilfield data and each department’s business there along with an improved efficiency of operations.

Keywordsdata fusion, data mining, decision-making, terminal push, oilfield business management

DesignandImplementationofFeedbackTrackingSystemforVisualSolarEnergyTracking

XU Wei-jun, YUAN Da-ming

(QinhuangdaoCampus,NortheastPetroleumUniversity,Qinhuangdao066004,China)

In order to improve generation efficiency of the solar power, the STC15W4K32S4 MCU-cored and the dual-axis tracking mechanism-based all-weather solar feedback tracking system was designed and the system’s composition, working principle, hardware modules and implementation method were presented. The experimental results show that this system has high stability and reliability; and the error of its tracking accuracy stays at 0.25°to 0.50° along with reduced accumulative error and feedback control realized.

solar energy tracking system, MCU, light intensity detection, dual axis tracking, feedback control

(Continued from Page 854)

(1.SchoolofElectricalEngineeringandInformation,NortheastPetroleumUniversity,Daqing163318,China;2.No.2OilProduction,DaqingOilfieldCo.,Ltd.,Daqing163414,China)

2016-06-21(修改稿)

TH862

A

1000-3932(2016)08-0855-04