基于STM32 的仿向日葵太陽能發電板系統設計

梁燦強,陳澤偉,陳家熙,林育龍,李依潼

(廣東海洋大學,廣東 湛江 524088)

0 引言

隨著社會的發展,人們對能源類資源的依賴日益增加,而石化能源的消耗帶來了嚴重的環境和氣候變化問題[1]。 清潔可再生能源的利用為解決這道難題提供了答案[2],太陽能作為清潔能源,近年來倍受青睞。 我國太陽能資源豐富,能滿足人們對能源的迫切需求,太陽能發電也成為我國一項重要的能量來源。國外的單軸太陽跟蹤器發電板能實現東西方向的自動跟蹤,南北方向則需要通過手動調節。 國內常用的追蹤發電板為光電跟蹤裝置,利用光電檢測傳感器采集光電信息,通過比較微電流偏差來使跟蹤器追蹤太陽[3],但由于太陽光屬于泛光,加上天氣等影響因素,會導致系統不穩定等情況存在。 目前,國內外的追蹤發電板多為視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤,兩者均存在不理想的狀況。

為了解決上述問題,本文設計了仿向日葵太陽能發電板,以提高太陽能發電板的發電效率。

1 太陽能發電板的系統總體設計

1.1 系統組成

系統為模擬追蹤光源系統,根據向日葵的生長特性,模擬向日葵追蹤太陽光的原理設計,太陽能發電板能像向日葵一樣,時刻追蹤太陽,以最佳角度朝向太陽,實現太陽能發電的效率提升。

系統采用STM32 單片機為主控芯片,負責信息的獲取以及轉換處理、PWM 波的輸出、電機驅動的控制等。 各模塊相互協調組成仿向日葵太陽能發電板系統,其中,GPS 模塊主要負責定位、當地時間日期的獲取等;顯示屏模塊負責處理后信息的顯示;舵機平臺由兩個自由度為180°的模擬舵機組成,負責光伏太陽能發電板的移動;清潔模塊由為太陽能發電板特制的清潔毛刷、減速電機以及供水模塊構成。

1.2 功能設計

首先,系統通過GPS 模塊實現定位后,通過串口向主控芯片每秒發送一幀數據,主控芯片提供數據解析得到的當地經度、緯度、UTC 時間及UTC 日期等數據;其次,主控芯片通過算法分析,結合地理計算公式,計算出太陽高度角和當地日出日落等數據,同時在TFT 屏幕顯示這些數據;最后,通過主控芯片舵機平臺輸出特定的PWM 波,舵機平臺決定太陽能發電板的轉向,實現對太陽光的跟蹤,從而提高發電板的發電效率。 清潔模塊作為太陽能發電板的附加功能,可以根據當地的灰塵積累程度來設定發電板的清潔時間間隔,若遇上灰塵較大的情況,可以使用主控電路板上的手動按鈕進行手動清潔發電板,進一步提高發電板的發電效率。 主要功能流程如圖1 所示。

圖1 主要功能流程

2 算法分析

2.1 GPS 定位

示例發電板使用的GPS 模塊為WTGPS+BD 單雙模定位模塊,可以同時接收6 個系統的GNSS 信號,實現聯合定位、導航和受時。 使用GPS 定位后,GPS 模塊將會回去一幀數據,其中包含多種基本數據:

$GPRMC 推薦定位信息;

$GPVTG 地面速度信息;

$GPGGA 全球定位信息;

$GPGSA 當前衛星信息;

$GPGSV 可見衛星信息;

$GPGLL 地理位置信息。

其中,$GPRMC 信息為:

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>?hh

其中,<1>UTC 時間,<3>緯度,<4>南北緯,<5>經度,<6>東西經,<9>UTC 日期,其余略。

該信息符合獲取要求,主控芯片將對其進行提取解析。

在獲取GPS 定位信息后,通過$GPRMC 解析得到當地的經度、緯度、UTC 時間及UTC 日期等數據,經過換算可得到太陽能發電板所處的實際地理位置及當地時間。

2.2 太陽高度角

太陽高度角是指地球某一時間內太陽平行光線照射到地平線上的夾角[4],用太陽高度角作為發電板的仰角,實現發電板以最佳角度朝向太陽。 在得到太陽高度角前,需要獲得太陽赤緯角、太陽時角等信息。

根據太陽光照射方向與赤道面的夾角,得到太陽赤緯角δ=23.45×sin((N-80)/370.0×360)。 其中23.45 為黃赤交角(23°27’),N 為從元旦開始算的天數。 地球分為24 時區,每隔15°相差1 h,與經線對應后,得到時角Ω=15×(t-12),其中t 為當地區時。

綜上,可得太陽高度角:sinH=cosΩ×cosδ×cosφ+sinδ×sinφ。 其中,H 為太陽高度角,Ω 為太陽時角,δ為太陽赤緯角,φ 為當地緯度。

2.3 日出日落

根據晨昏線對緯平面切割比例來得到當地地區的白天時長,使用UTC 時間計算當地的正午時間(即當地12 點),用正午時間來平分白天時長,便可得到當地大致的日出時間及日落時間。

根據地球的黃赤夾角與處于某一緯度的緯平面及地球自轉軸之間的幾何關系,可以得到該緯度所處的白天時長,主要過程為先求出所處平面的黑夜時長的切割比例:ψ=2arccos(R×sinφ×tanδ)/(r×cosφ)。其中,ψ 為黑夜切割的角度,δ 為太陽赤緯角,φ 為當地緯度,R 為地球半徑,r 為所處緯平面的半徑。

之后,求出當地白天時長T:T = (1-ψ/360)×24。

綜上,可得出日出時間:12-T/2;日落時間:12+T/2。

3 硬件實現

示例發電板系統的硬件部分由舵機平臺、控制面板(由主控芯片、GPS 模塊、TFT 顯示屏及電機驅動構成)、太陽能板和清潔模塊構成的一體化面板3 大板塊組成。

3.1 舵機平臺的動作設計

舵機平臺有兩個自由度,轉動范圍為0°~180°,通過算法分析出太陽高度角和日出日落,利用這兩個數據確定舵機的轉動方向。 其中,日出日落確定一級舵機的轉向范圍,太陽高度角決定二級舵機的仰角。

一級舵機用角度90°作為當地正午的基準,以180°作為日出的方向,以0°為日落的方向。 一天中太陽的日照時間不超過12 h(不考慮地球極圈),可知太陽的日出日落時間在0°~180°變化,在主控芯片得到日出日落后,PWM 驅動一級舵機在這一區間內隨當地的時間規律變化。

二級舵機用90°~180°的旋轉角度作為發電板在北半球的太陽高度角的朝向;用0°~90°的旋轉角度作為發電板在南半球的太陽高度角的朝向;當發電板位于赤道時,固定角度為90°。 太陽高度角在當地正午獲得最大值,日出日落為0°(不考慮地球極圈)。由于地球的自轉,太陽東升西落得到周日視運動現象,觀察太陽周日視運動可以得到一個太陽周日視運動軌跡圖[5],即太陽高度角的變化值為日出(0°)—正午(最大值)—日落(0°)的弧度變化。 在主控芯片得到太陽高度角后,PWM 驅動二級舵機在這一區間內隨當地的時間規律變化。

一級舵機和二級舵機聯合轉動,可使發電板像向日葵一樣追蹤太陽。

3.2 發電板的清潔

清潔模塊由蓄水盒、減速電機(作為毛刷驅動)、電動水泵(供水)以及特制毛刷(由軟管和清潔棉組成)組成。 粉塵濃度較高是影響光伏消耗的因素,所以太陽能組件清潔系統也應更加智能化[6]。 當發電板系統達到設定的清潔時間或手動清潔時,發電板會轉向特定的角度,小水泵向發電板的毛刷間歇性供水,然后使用減速電機驅動清潔毛刷在發電板表面往復運動,最終實現發電板表面的灰塵的清潔處理。

4 功能測試

測試前放置整個發電板時,使用指南針來輔助發電板的方位朝向,確保發電板以正確的方向對準太陽。 以地理位置廣東肇慶(23°18’N,111°50’E)進行測試:啟動程序,等待GPS 模塊獲取信息,TFT 屏幕顯示處理得到的當地數據,主控芯片確定太陽高度角、日出日落信息,通過PWM 驅動太陽能發電板的朝向,至此,太陽能發電板像向日葵一樣隨著太陽的周日視運動軌跡進行運動,如圖2 所示。 在當地時間的00:00 后,發電板的朝向將轉至第二天太陽升起的方向,等待第二天的追蹤。

圖2 系統的實物測試

經測試,與固定的發電板(面向中午太陽的方向)對比,結合在各時段接負載測試電流與電壓換算后,系統發電量能提升15%~20%左右,達到了預期的效果。

5 結語

太陽能板發電系統基于STM32 芯片,聯合GPS定位,不需要網絡,能自主獨立工作,適用地區廣。 系統仿照向日葵的追光設計,既能解決固定朝向的太陽能發電板效率不高和半自動的單軸太陽跟蹤器發電板的耗費人力的問題,又能解決光電跟蹤導致發電板誤判的問題,加入的清潔模塊更使系統趨向智能化。在太陽能資源豐富的地區使用,能提高太陽能的利用效率,為今后的太陽能資源開發提供了一定的參考意義。