最佳傾角的單軸逐日系統(tǒng)設(shè)計研究

武志強 馬民 路志明 劉振宇

關(guān)鍵詞： 光伏發(fā)電; 逐日系統(tǒng); 最佳傾角; 硬件; 光電檢測; 驅(qū)動執(zhí)行

中圖分類號： TN02?34; TP33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）01?0073?06

Abstract： The problems of dust adhesion， bird droppings and meteorology may reduce the light conversion rate of the daily system， and even leads to the failure of light sensor. According to solar radiation model and optimum dip angle mathematical model， a simple sensorless daily system is designed by taking microcontroller STC89C51 as the control module， photovoltaic panel as the receiving platform， stepper motor as the movement hub， and A/D conversion module and clock module as the auxiliary modules. The photovoltaic panel in the system is used as the power generation device， and as the light sensor to assist the SCM for the judgment of the sun direction. The coordination working of each circuit in the system can avoid the installation of optical sensor. The system is used to track the sun location of all sunny days in March， July and October of Taigu County. The statistical analysis is carried out for the theoretical value and experimental value with Matlab， and it shows that the average error is less than 5%. Five sunny days in July of Taigu County are selected to track the sun location. The data shows that the system accuracy is high from 10 AM to 15 PM in a day， and the relative error is less than 2%. The system has a great significance on effective utilization and popularization of solar energy.

Keywords： photovoltaic power generation; daily system; optimum dip angle; hardware; photoelectric detection; driving execution

0 ?引 ?言

在能源日益緊縮的今天，太陽能越來越受到關(guān)注?，F(xiàn)階段國內(nèi)外已有跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。不論是單軸跟蹤還是雙軸跟蹤，太陽跟蹤裝置又可分為時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置。無論哪種跟蹤方式，都必須外加光傳感器，而光學(xué)傳感器一般價格都比較昂貴，在使用中容易受灰塵或者其他周圍環(huán)境的影響而產(chǎn)生誤動作或影響其跟蹤精度。如何解決類似問題，提高光傳感器抗干擾能力，提升光能轉(zhuǎn)化效率，加大光能采集利用率等已是當(dāng)前逐日系統(tǒng)研究的主要方向。文獻[1]設(shè)計了一種太陽能自動逐日系統(tǒng)，可檢驗其是否達到最大正對面積的缺陷。文獻[2]以光電池為傳感器，控制設(shè)備受光平面的法線與太陽光線偏角，使偏角趨于零，提高太陽能轉(zhuǎn)換率。文獻[3]采用SPA算法等精確太陽定位，定時跟蹤。文獻[4]優(yōu)化了系統(tǒng)的太陽跟蹤方式和跟蹤策略，使系統(tǒng)裝置和太陽相互交錯跟蹤。文獻[5]使用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練算法與NARX架構(gòu)，為逐日系統(tǒng)生成有功功率估算。文獻[6]闡述了光譜對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，季節(jié)性差異可達15%。文獻[7]將Hay模型應(yīng)用于太陽能的吸收效率中，并計算其精度。文獻[8?9]計算了全國多個省份和典型城市的集熱器最佳傾角。

大多數(shù)學(xué)者的研究集中在提高光電轉(zhuǎn)換效率，并沒有完全解決光傳感器抗干擾能力較差的問題。本文優(yōu)化了太陽能輻射下最佳傾角的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計了一種簡易無傳感器的太陽跟蹤裝置，且系統(tǒng)各部分電路的協(xié)調(diào)工作舍去了光學(xué)傳感器，實現(xiàn)了光伏板的逐日功能，可解決現(xiàn)有太陽跟蹤裝置價格昂貴，安裝調(diào)試比較復(fù)雜，需經(jīng)常維護等技術(shù)難題，保證跟蹤效果達到技術(shù)要求。此外，具有原理結(jié)構(gòu)簡單方便，跟蹤精度高，安裝調(diào)試方便并且價格合理的特點，能盡快轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力、形成高技術(shù)含量的產(chǎn)品，對推動太陽能的普及利用，拓寬太陽能的利用領(lǐng)域具有重要意義。

2 ?逐日系統(tǒng)組成

2.1 ?系統(tǒng)硬件組成

簡易無傳感器單軸逐日系統(tǒng)由單片機STC89C51控制模塊、光電檢測模塊、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)、蓄電池電源模塊、控制信號輸出電路等組成。無傳感器單軸逐日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

單片機STC89C51作為整個系統(tǒng)的核心組成部分，負責(zé)系統(tǒng)的整體控制和運算。光電檢測模塊由光伏板、ADC0809等組成。其中，電壓轉(zhuǎn)換電路用于將光伏板的輸出電壓轉(zhuǎn)換到ADC0809可以接收的電壓范圍;ADC0809用于檢測光伏板的輸出電壓并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量;單片機STC89C51用于分析由ADC0809轉(zhuǎn)換后的數(shù)字電壓，根據(jù)分析結(jié)果控制步進電機的轉(zhuǎn)動角度及方向;驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)由步進電機、驅(qū)動電路、傳動機械裝置等組成。步進電機帶動光伏板轉(zhuǎn)動，使其隨著太陽而轉(zhuǎn)動;蓄電池控制器用于控制蓄電池的充放電過程，以免其過充或過放;蓄電池用于存儲光伏板發(fā)出的電能;控制信號輸出電路用于對單片機發(fā)出的控制信號進行放大，使步進電機驅(qū)動電路能識別其控制信號。

2.1.1 ?光電檢測模塊?

系統(tǒng)的光電檢測模塊由ADC0809數(shù)模轉(zhuǎn)換器、光伏板等組成。如圖2所示，其中，U2是74LS373，用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址的分時傳送;U3是74LS161，用于為ADC0809提供時鐘信號;U4是ADC0809，用于將光伏板的輸出電壓轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳送給單片機處理。D1，D2，D3，[R4]組成15～20 V電壓轉(zhuǎn)換電路;D4～D7，[R8]組成20～25 V電壓轉(zhuǎn)換電路;D8～D12，[R12]組成25～30 V電壓轉(zhuǎn)換電路;由于光伏板在不同光照強度下的輸出電壓不同，使得系統(tǒng)根據(jù)不同的輸出電壓選用不同的電壓轉(zhuǎn)換電路，所以就必須得有轉(zhuǎn)換電路的選通電路，根據(jù)需要選通不同的轉(zhuǎn)換電路，所以用[R1，R2，R3]，Q1，Q7組成15～20 V電壓轉(zhuǎn)換電路的選通電路，[R5，R6，R7]，Q2，Q8組成20～25 V電壓轉(zhuǎn)換電路的選通電路，[R9]，[R10]，[R11]，Q3，Q9組成25～30 V電壓轉(zhuǎn)換電路的選通電路。

2.1.2 ?驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)

系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)由步進電機及其驅(qū)動電路等組成，電路圖如圖3所示。

[R15]，Q11用于放大單片機P0.0口輸出地方波信號，從而輸送給步進電機的驅(qū)動電路;[R16]，Q12用于放大單片機P0.1口輸出的電機轉(zhuǎn)向信號，從而輸送給步進電機驅(qū)動電路用于控制電機轉(zhuǎn)向;Q4，Q10，[R13，R14]用于放大單片機P0.2口的輸出信號，從而驅(qū)動繼電器K1，K2的吸合;當(dāng)K1吸合時，使U9（12～24 V升壓器）的輸入端與蓄電池接通，從而使步進電機驅(qū)動器的電源接通;當(dāng)K2吸合時，使光伏板正極與電壓轉(zhuǎn)換電路接通，系統(tǒng)開始進行電壓檢測并控制電機轉(zhuǎn)動。

2.2 ?系統(tǒng)流程

簡易無傳感器單軸逐日系統(tǒng)軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、步進電機的驅(qū)動調(diào)控等主要程序。系統(tǒng)流程圖如圖4，圖5所示。

圖4中數(shù)據(jù)寄存器設(shè)定初始值[A=50]，方向寄存器flag=0時為順時針轉(zhuǎn)動，flag=1時為逆時針轉(zhuǎn)動。圖5為逐日系統(tǒng)整體流程圖。ADC0809對光伏板的輸出電壓進行檢測并將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸送給單片機。單片機對電壓值進行分析處理后對其進行存儲并控制步進電機轉(zhuǎn)動一定角度，此時ADC0809再對這時的電壓值進行轉(zhuǎn)換，單片機再對其進行分析存儲，并將此值與上次電壓值進行比較，若這次的值比上次的值大，表明太陽在這個轉(zhuǎn)向的下方向，這時單片機控制步進電機繼續(xù)朝著這個方向轉(zhuǎn)動同一個角度，再進行轉(zhuǎn)換存儲和比較，直到后一個值比前一個值小時表明光伏板已轉(zhuǎn)過太陽所在方向，這時單片機控制步進電機反向轉(zhuǎn)過同一個角度則使光伏板朝向太陽所在方向;若這次的值比上次的值小，表明太陽在這個轉(zhuǎn)向的逆方向，則單片機控制步進電機朝著相反的方向轉(zhuǎn)動同一個角度，再進行轉(zhuǎn)換存儲和比較，重復(fù)以上步驟，直到光伏板朝向太陽所在方向為止。

3 ?系統(tǒng)驗證

利用上文中太陽直射北半球夾角計算公式算出的結(jié)果為理論值，利用天文觀測軟件SkyMap計算所得結(jié)果為參照值，以逐日系統(tǒng)當(dāng)時所處角度為實驗值，三個值進行對比分析，驗證逐日系統(tǒng)的精度和準(zhǔn)確性。

選取山西晉中地區(qū)太谷縣（東經(jīng)112.53°，北緯37.42°）一年中春、夏、秋的三個代表月;3月、7月、10月三個月的全晴天的代表日，即3月16日，7月17日和10月15日。選取其中每日7：00—18：00為跟蹤測量時間，測量逐日系統(tǒng)的傾角實際值作為實驗值，與理論下北半球正午太陽直射下的角度、觀測軟件的計算值進行比較分析。

圖6～圖8為3月份、7月份、10月份太谷全晴天的太陽高度理論值、實際值和軟件的計算值。其中，實點為理論值，圓圈為實際值，叉點為軟件計算值。

在3月份、10月份18：00以后太陽落山，傾角在0°以下，在正午時太陽高度達到最大值。7月份的太陽高度角同樣是正午時太陽高度達到最大值且高于3月份、10月份。實驗值和理論值、軟件計算值誤差角度在0.1°～1°之間。由于在3月和10月，18：00以后太陽日落時角小于0°，太陽高度角小于0°，圖中用0°表示?？梢钥闯?月份逐日系統(tǒng)的傾角實際值與理論值誤差最小。

為進一步確定誤差范圍和精確逐日系統(tǒng)跟蹤時效，選取7月中旬連續(xù)5個晴天下的太陽作為跟蹤對象，同樣選取7：00—18：00時間段?，F(xiàn)實驗值、理論值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和相對誤差如表2所示。

表2中，[T]為時間點，[X]為理論值，[Y1～Y5]為實驗值，AVY表示平均值，SD表示標(biāo)準(zhǔn)偏差，RT表示相對誤差。從表2中可以看出，在10：00—15：00時間段內(nèi)，逐日系統(tǒng)傾角角度相對誤差較小，低于0.005°。在這段時間內(nèi)系統(tǒng)跟蹤精度較高，光轉(zhuǎn)換效率最大。

通過上述實驗，證明了本文設(shè)計的逐日系統(tǒng)在春、夏、秋季白天光伏板跟隨太陽轉(zhuǎn)動的角度與理論值和仿真值誤差較小，系統(tǒng)內(nèi)基于單片機的光電檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)能較準(zhǔn)確地引導(dǎo)步進電機轉(zhuǎn)動，高效的轉(zhuǎn)換電能。

4 ?結(jié) ?論?

本文基于太陽輻射模型和最佳傾角的模型，設(shè)計了單軸逐日系統(tǒng)并進行驗證分析，設(shè)置的簡易無傳感器單軸逐日系統(tǒng)中光伏板既作為發(fā)電裝置使用同時也作為光傳感器來輔助單片機判斷太陽方向，從而取代現(xiàn)有逐日系統(tǒng)中的光傳感器。由于光伏板身受光面積較一般光傳感器大，所以其可以較好地反映太陽方向，省去了在安裝傳感器時安裝方位對跟蹤精度的影響，從而大大簡化了逐日系統(tǒng)的安裝調(diào)試過程，降低了安裝成本。對逐日系統(tǒng)的發(fā)展具有一定的實踐和科學(xué)意義。

注：本文通訊作者為劉振宇。

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