傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 坤，張廣鵬

傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石 坤，張廣鵬

（西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

在研究太陽運(yùn)行軌跡和太陽能單軸跟蹤原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個基于C8051F20單片機(jī)的傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬不同傾角的太陽能單軸跟蹤支架工作過程，具有跟蹤角度采集、跟蹤角度顯示、電機(jī)驅(qū)動、工作參數(shù)設(shè)定、手動和自動跟蹤控制等功能。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能夠使學(xué)生綜合運(yùn)用機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)、單片機(jī)原理及應(yīng)用和計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)等知識，培養(yǎng)實(shí)踐動手能力。

太陽能；單軸跟蹤；傾角可調(diào)；C8051F20單片機(jī)

隨著現(xiàn)有能源的吃緊和生態(tài)環(huán)境的惡化，光伏發(fā)電系統(tǒng)越來越受到關(guān)注。采用跟蹤裝置可顯著地提高太陽能利用率，其中單軸跟蹤方式可利用相對簡單的設(shè)備實(shí)現(xiàn)較理想的跟蹤效果[1-3]。本文基于C8051F20單片機(jī)，設(shè)計(jì)了一套傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，可以模擬不同傾角的光伏發(fā)電單軸跟蹤支架工作過程。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由3個部件組成，部件Ⅰ為傾角調(diào)節(jié)支架，部件Ⅱ?yàn)閱屋S跟蹤結(jié)構(gòu)，部件Ⅲ為光伏組件（見圖1(a)）。傾角調(diào)節(jié)支架和單軸跟蹤結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造分別見圖1(b)和圖1(c)。

1.2 太陽能單軸跟蹤控制原理

太陽位置一直在變化，實(shí)現(xiàn)對太陽運(yùn)行軌跡的精確跟蹤是充分利用太陽能的前提。依據(jù)“天球理論”能夠快速導(dǎo)出太陽高度角、方位角與觀測地點(diǎn)經(jīng)度、緯度及觀測時刻的關(guān)系，從而方便地求解太陽高度角和方位角；然后以地平面為參考平面，通過太陽的高度角和方位角合成太陽的運(yùn)動軌跡[4-5]。

式中，為一年中的第幾天。

式中，為當(dāng)?shù)氐臅r間。

由上式可以看出，一天中太陽時角的變化為：上午為正，中午為0°，下午為負(fù)。

如圖2所示，太陽高度角s為太陽與觀察者所在位置的連線與該連線在地面投影的夾角，太陽方位角s是太陽與觀察者的連線在地面的投影與觀察者所處位置正北方向線的夾角。

圖2 太陽運(yùn)行方位示意圖

太陽高度角s和方位角s可用公式表示為[7]：

太陽能單軸跟蹤控制示意圖如圖3所示，跟蹤軸與水平面具有一定傾角，光伏組件可以繞軸旋轉(zhuǎn)。根據(jù)太陽運(yùn)行軌跡，利用計(jì)算機(jī)(由天文學(xué)公式計(jì)算出每天日出至日落每一時刻的太陽高度角與方位角參數(shù))控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動跟蹤裝置跟蹤太陽。

圖3 太陽能單軸跟蹤控制示意圖

2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路總體設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件電路總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示，該電路以單片機(jī)為控制核心，包括傾角傳感器、通信模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、顯示模塊、電源模塊、時鐘模塊和工作控制模塊等部分，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏組件角度采集、電機(jī)驅(qū)動和角度顯示等功能。

圖4 硬件電路總體設(shè)計(jì)框圖

2.2 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖5所示。以Silicon Labs公司生產(chǎn)的C8051F20單片機(jī)[9-10]為控制核心，晶振電路主頻采用11.059 2MHz，以電源監(jiān)控芯片IMP811為主建立復(fù)位電路[11-12]。

圖5 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖

C8051F20單片機(jī)主頻可達(dá)25MHz，具有高速8051微控制器內(nèi)核、10位模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、17個或13個外部單端或差分輸入、增強(qiáng)型UART、SMBus串口以及硬件增強(qiáng)型SPI。片內(nèi)調(diào)試電路提供全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試，支持?jǐn)帱c(diǎn)、單步、觀察/修改存儲器和寄存器。

2.3 電源電路設(shè)計(jì)

電源電路如圖6所示。主要由DC-DC轉(zhuǎn)換器B2405S-2WR2、正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117-3.3以及電感電容等組成，為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路板提供穩(wěn)定的5 V和3.3 V電源。

圖6 電源電路圖

2.4 通信電路設(shè)計(jì)

通信電路如圖7所示。以芯片MAX3485為核心建立通信電路，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外圍器件之間的通信。MAX3485用于RS-485與RS-422的通信，工作電壓3.3 V，是一種低功耗收發(fā)器，每個器件中都具有一個驅(qū)動器和一個接收器。

圖7 通信電路圖

2.5 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動電路如圖8所示，以芯片L298HN為核心構(gòu)建直流電機(jī)驅(qū)動電路，其輸入端可與單片機(jī)直接相連，便于單片機(jī)直接控制；其輸出端直接驅(qū)動直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)；直流電機(jī)工作電壓24 V，最大工作電流2 A。

圖8 驅(qū)動電路圖

2.6 時鐘電路設(shè)計(jì)

時鐘電路如圖9所示，以芯片PCF8563為核心構(gòu)建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)時時鐘電路。這是一款工業(yè)級的具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片，通過I2C 總線接口與單片機(jī)進(jìn)行通信。

圖9 時鐘電路圖

3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在考慮跟蹤精度和系統(tǒng)能耗的基礎(chǔ)上，采用間歇跟蹤方法，即每隔一段時間，光伏組件快速調(diào)整一次轉(zhuǎn)角，其余時間系統(tǒng)轉(zhuǎn)角驅(qū)動機(jī)構(gòu)固定不動。

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主程序流程圖如圖10所示。系統(tǒng)上電后，首先完成經(jīng)、緯度等初始參數(shù)的設(shè)定，判斷控制器工作模式；在自動工作模式下，控制器定時從時鐘模塊讀取當(dāng)前時間，通過計(jì)算獲得跟蹤支架的理論轉(zhuǎn)角值，并采集跟蹤支架的當(dāng)前實(shí)際轉(zhuǎn)角值，比較二者的差值后，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，向上位機(jī)上傳跟蹤支架的當(dāng)前轉(zhuǎn)角值；在人工工作模式下，可手動驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，并顯示當(dāng)前跟蹤支架的轉(zhuǎn)角值。

圖10 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測試

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用Keil軟件開發(fā)環(huán)境編寫單片機(jī)程序，對傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了測試。測試條件：西安地區(qū)，2018年10月5日早9點(diǎn)至晚5點(diǎn)，光伏組件工作轉(zhuǎn)動角度范圍-45°~45°，采用0°、15°和25°3種不同傾角的跟蹤支架。0°、15°和25°3種不同傾角的跟蹤支架隨時間的轉(zhuǎn)動角度變化過程如圖11所示。

由圖11可以看出，3種跟蹤支架開始都面朝東45°保持不變；25°傾角的跟蹤支架最先隨太陽開始轉(zhuǎn)動，0°傾角的跟蹤支架最晚隨太陽開始轉(zhuǎn)動；3種支架以不同轉(zhuǎn)角跟隨太陽轉(zhuǎn)動；0°傾角的跟蹤支架最先轉(zhuǎn)動到面朝西45°并保持不變，25°傾角的跟蹤支架最晚。

圖11 不同傾角跟蹤支架轉(zhuǎn)動變化圖

5 結(jié)論

本文以傾角可調(diào)式太陽能單軸跟蹤支架為對象，通過機(jī)構(gòu)運(yùn)動分析、硬件電路設(shè)計(jì)和程序編寫，設(shè)計(jì)了一個基于C8051F20單片機(jī)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是針對機(jī)械專業(yè)學(xué)生設(shè)計(jì)的機(jī)電創(chuàng)新設(shè)計(jì)綜合實(shí)驗(yàn)平臺，涉及到本學(xué)科的多門基礎(chǔ)課程及專業(yè)課程。通過該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，學(xué)生可深刻領(lǐng)會機(jī)構(gòu)學(xué)的實(shí)際應(yīng)用、單片機(jī)測控系統(tǒng)的搭建過程等，增強(qiáng)學(xué)生對所學(xué)知識點(diǎn)的直觀理解，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立思考能力及綜合運(yùn)用所學(xué)知識解決實(shí)際問題的能力。

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Design of solar single-axis tracking experimental system with adjustable inclination

SHI Kun, ZHANG Guangpeng

(School of Mechanical and Precise Instrument, Xi’an University of Technology, Xi’an 710048, China)

Based on the study of solar trajectory and the principle of solar single-axis tracking, an experimental system of solar single-axis tracking with adjustable inclination based on C8051F20 SCU is designed. The system can simulate the working process of solar single-axis tracking bracket with different inclination angles. It has the functions of tracking angle acquisition, tracking angle display, motor drive, working parameters setting, manual and automatic tracking control. Through the design of the experimental system, students can make comprehensive use of the knowledge of mechanism kinematics, mechanical structure design and the principle and application of single-chip computer, and cultivate practical ability.

solar; single-axis tracking; adjustable inclination; C8051F20 SCU

TP23；G642.423

A

1002-4956(2019)10-0171-04

10.16791/j.cnki.sjg.2019.10.041

2019-02-12

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃項(xiàng)目（2018JM5061）；西安理工大學(xué)教學(xué)研究項(xiàng)目（xjy1753）

石坤（1979—），江蘇淮安，博士，副教授，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)特性分析及優(yōu)化、機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail:shikun@xaut.edu.cn