自主調(diào)節(jié)跟蹤的太陽(yáng)能裝置及控制方法 - 副本

1、自主調(diào)節(jié)跟蹤的太陽(yáng)能裝置及控制方法朱俊昊1，何中杰2（1.杭州駿隆霓虹電子產(chǎn)品有限公司，浙江杭州310006；2.杭州電子科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，浙江杭州310018）摘要：針對(duì)太陽(yáng)能裝置工作日陽(yáng)光和電池板成角難保持垂直，光伏發(fā)電效率低的問(wèn)題，推出了一種可以保持陽(yáng)光和電池板垂直以提高光伏發(fā)電效率的自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，給出了相關(guān)控制策略及調(diào)節(jié)算法。該控制系統(tǒng)以AT89C51單片機(jī)為核心，依據(jù)環(huán)境條件自主判斷是否滿足開(kāi)機(jī)運(yùn)行要求，如條件滿足，則根

2、據(jù)當(dāng)日的日照時(shí)間，控制時(shí)段，分別由兩組步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能裝置的高度角和方位角，實(shí)現(xiàn)全天自動(dòng)跟蹤分時(shí)調(diào)節(jié)控制，使電池板和太陽(yáng)光保持垂直角度，以獲取最好效率。天氣條件不滿足運(yùn)行要求時(shí)，如下雨或光照度不足，裝置會(huì)自動(dòng)停機(jī)；若遇刮風(fēng)且風(fēng)力可能對(duì)太陽(yáng)能裝置造成損害，為避免不必要的外力損壞，裝置會(huì)自動(dòng)改變姿態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果證明：該系統(tǒng)安裝方便、初投資和運(yùn)行成本低，可靠性好；和固定安裝的光伏系統(tǒng)相比，其光電轉(zhuǎn)換效率明顯提高。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能裝置；

3、跟蹤控制；步進(jìn)電機(jī)中圖分類(lèi)號(hào)：TP18；TP273；TH39文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10014551（2012）05054504SelfregulatingsolartrackingdeviceitscontrolmethodZHUJunhao1，HEZhongjie2（1.HangzhouJunlongNeonElectronicProductsLtd.Co.，Hangzhou310006，China；2.SchoolofAutoma

4、tion，HangzhouDianziUniversity，Hangzhou310018，China）Abstract：Indertosolvetheproblemsoflowphotovoltaicpowergenerationefficiencyfthattheangleofsunsolarpanelsisdifficulttomaintainthevertical，anautomatictrackingwhichcouldmain

5、taintheverticalofthesunsolarpanelstoimprovetheefficiencyofphotovoltaicwasdesigned.Thecontrolstrategyadjustmentalgithmofthesystemwerepresented.ThecontrolsystemhassinglechipmicrocomputerAT89C51asthece，canjudgeindependently

6、whethermeetthebootoperationconditionsaccdingtoenvironmentalconditions.Iftheconditionsaresatisfied，accdingtothedurationofsunshinethecontrolperiods，thesolarelevationangleazimuthangleareregulatedbytwogroupsofsteppingmotsdri

7、vingmechanismrespectively，thusmakingtheimplementationofthetimedivisionautomatictrackingregulationcontrolallday，whichmakesthepanelssunlightkeepingtheverticalangle，toobtainthebestefficiency.Iftheweatherconditionsdonotmeett

8、herequirements，fexample，mechanismwillshutdownautomaticallywhenitrainstheilluminanceisinsufficient，automaticalchangeoftheattitudecouldavoidunnecessaryoutsidefcedamagewhenthewindmaycausedamage.Theexperimentalresultsshowtha

9、tthesystemhastheadvantagesofconvenientinstallation，lowinitialinvestmentoperatingcosts，goodreliability.Comparedtothefixedinstallationofphotovoltaicsystem，thephotovoltaicconversionefficiencyofthesystemissignificantlyimprov

10、ed.Keywds：solardevice；trackingcontrol；steppingmot收稿日期：20120201作者簡(jiǎn)介：朱俊昊（1954），男，浙江杭州人，主要從事光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與新能源開(kāi)發(fā)方面的研究.Email：zjh138571@通信聯(lián)系人：何中杰，男，博士.Email：hzhj202@zju.0引言低碳經(jīng)濟(jì)是當(dāng)今世界各國(guó)發(fā)展經(jīng)濟(jì)的追求，而清潔能源的有效開(kāi)發(fā)利用是解決環(huán)境保護(hù)與經(jīng)濟(jì)良性發(fā)展的必然途徑。太陽(yáng)能是世界公認(rèn)的清

11、潔無(wú)污染能源，地球每年從太陽(yáng)獲得的能量高達(dá)61017kWh，比目前人類(lèi)年消耗的全部能量還多幾萬(wàn)倍，有著巨大的開(kāi)發(fā)前景［1］。法國(guó)在1971年建起了世界上第一座試驗(yàn)第29卷第5期2012年5月Vol.29No.5May2012機(jī)電工程JournalofMechanical&ElectricalEngineering供動(dòng)力的功率電源為另一組，控制環(huán)節(jié)間信號(hào)關(guān)系與工作電源配置如圖3所示。為了控制系統(tǒng)可靠工作，筆者強(qiáng)化了穩(wěn)定性和可靠性設(shè)計(jì)，強(qiáng)、

12、弱電布線嚴(yán)格隔離。步進(jìn)電機(jī)功率電源電壓選擇與電機(jī)功率有關(guān)，即主要和太陽(yáng)能面板、自動(dòng)跟蹤裝置重量有關(guān)。這里選36V作為步進(jìn)電機(jī)1、2的功率電源電壓。根據(jù)工況需求，步進(jìn)電機(jī)1、2都需要正反轉(zhuǎn)工作。圖3環(huán)節(jié)間信號(hào)關(guān)系與工作電源配置2軟件設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)依據(jù)當(dāng)前，自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié)控制有兩類(lèi)：坐標(biāo)法和定時(shí)法。坐標(biāo)法是將3個(gè)光敏傳感器放置在不同的朝向，一個(gè)豎直朝天放置，一個(gè)朝正東，另一個(gè)朝正西放置，太陽(yáng)從不同角度照射到3個(gè)傳感器上，光強(qiáng)不同，產(chǎn)生的光電流

13、強(qiáng)度不同。太陽(yáng)光方向與正東方的夾角θ與光強(qiáng)（或光電流）的關(guān)系會(huì)發(fā)生變化。依據(jù)θ值調(diào)整太陽(yáng)能電池板的角度，使得太陽(yáng)能電池板始終和陽(yáng)光垂直。其優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)整精確度較高，能獲取較好的光電轉(zhuǎn)換效率，但實(shí)現(xiàn)電路過(guò)于復(fù)雜，實(shí)時(shí)計(jì)算工作量較大，也因控制系統(tǒng)一直處于工作狀態(tài)，其損耗較大。定時(shí)法是依據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度參數(shù)及時(shí)間信息，太陽(yáng)赤緯、時(shí)角，計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角；而后由單片機(jī)分別控制步進(jìn)電機(jī)，通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變太陽(yáng)能電池板的朝向，從而達(dá)到自動(dòng)、準(zhǔn)確跟蹤

14、太陽(yáng)的目的。這種先算不同時(shí)刻電池板轉(zhuǎn)動(dòng)角度、然后驅(qū)動(dòng)控制跟蹤的方法，雖然存在誤差，但由于離線計(jì)算，分時(shí)控制，使電池板緊跟太陽(yáng)位置，運(yùn)行操控更方便。眾所周知，太陽(yáng)每天東升西落貌似不變，其實(shí)一年四季的日照時(shí)間及南北移動(dòng)位置都在悄悄改變著。太陽(yáng)高度角也隨著地方時(shí)和太陽(yáng)赤緯的變化而變化。通常為方便跟蹤調(diào)節(jié)控制，設(shè)日出、日落時(shí)角度均為0，正午時(shí)太陽(yáng)高度角最大。以杭州為例：夏至日的太陽(yáng)高度角為8310′24″，時(shí)角為0。太陽(yáng)赤緯（與太陽(yáng)直射點(diǎn)緯度相

15、等）用δ表示，其值可由文獻(xiàn)［9］查得；φ為裝置所在地地理緯度（太陽(yáng)赤緯與地理緯度都是北緯為正，南緯為負(fù)），取一位小數(shù)，地方時(shí)（時(shí)角）以t表示，則太陽(yáng)高度角h可由參考文獻(xiàn)［9］提供的公式求得：sinh=sinφsinδcosφcosδcosΩ（1）方位角A可由下式算得：cosA=sinδcosφcosδcosφcosΩsinh（2）其中日出、日落時(shí)刻的太陽(yáng)方位角算式：cosA=sinδcosφ太陽(yáng)時(shí)角（Ω）有：Ω=（t12）15（3）式中

16、：t—真太陽(yáng)時(shí)。且：t=CTLCEQ（4）式中：CT—北京時(shí)；LC—經(jīng)度修正值（4min），如地方子午圈在北京子午圈的東邊取正值；EQ—時(shí)差，可由文獻(xiàn)［9］附表查得。太陽(yáng)夏至日的方位角是一年中的最大值，冬至日是一年中太陽(yáng)高度角最小值。由這兩個(gè)特殊日子的太陽(yáng)高度角和方位角，就能夠清楚地知道一年中太陽(yáng)光線對(duì)該裝置的光照覆蓋。2.2軟件控制策略系統(tǒng)的工作程序存放在EPROM中，利用當(dāng)日的日期求出裝置所在地當(dāng)日的赤緯角δ，然后用當(dāng)?shù)氐木暥却_定當(dāng)

17、日的日出和日落時(shí)間，控制程序自主判斷調(diào)節(jié)時(shí)間是否在日出后日落前。依據(jù)公式（1~3）及太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可以計(jì)算出太陽(yáng)能電池板每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。由于步進(jìn)電機(jī)的步距角是一個(gè)定值，在軟件設(shè)計(jì)跟蹤子程序時(shí)，應(yīng)充分考慮計(jì)算結(jié)果與步距角的關(guān)系。理論上只要調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的太陽(yáng)高度角和方位角就可以保持和陽(yáng)光垂直，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)光伏轉(zhuǎn)換效果。而實(shí)際上，表189C51的端口地址和功能分配表端口或RAM單元P1P2P0P3.0，P3.1P3.4P3.2（INT0）

18、WR，RDALEF0功能分配作鍵盤(pán)輸入端口驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)作LCD地址數(shù)據(jù)復(fù)用線光電門(mén)信號(hào)輸入口風(fēng)力傳感器輸入口提供鍵盤(pán)中斷服務(wù)對(duì)LCD的讀寫(xiě)信號(hào)鎖存低8位地址B電機(jī)正反轉(zhuǎn)標(biāo)志位端口或RAM單元220H~24H31H32H33H，34H35H，36H37H38H39H功能分配3存儲(chǔ)日期和時(shí)間（壓縮BCD碼形式）計(jì)T0中斷數(shù)存放調(diào)整時(shí)刻點(diǎn)的序號(hào)方位角、高度角的相對(duì)循環(huán)數(shù)AD轉(zhuǎn)換比較當(dāng)前方位角、高度角的絕對(duì)循環(huán)數(shù)切換顯示標(biāo)志存放區(qū)域代號(hào)設(shè)定時(shí)存