基于光伏发电的自动跟踪系统的设计方案

0 基于光伏发电的自动跟踪系统的设计方案 跟踪系统设计方案 制方法的确定 领域现有的控制方法 太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，改变入射角，发电量明显下降。基本原理与结构：由两台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器内置放大，与太阳电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，当这一输出信号达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能 电池板方阵平面与光线成 90 度角而停止转动，完成一次调整周期。如此不断调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪。该系统不需设定基准位置，跟踪器永不迷失方向。系统设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试 4。系统结构如图 2示。 阴天或太阳被云层遮挡时，光线很弱，发电量极小，跟踪将无意义，系统会自动停止跟踪。即使天边某处透出相对较亮的光线，跟踪器也不会被误导跟踪，实现了防杂光干扰。云散日出时，自动跟踪器即时响应，找到太阳，跟踪到位。傍晚光线消失，已不 能发电，传感器会发出信号，夜间停止电路启动，并转回到东方，转动机构上下终点共设 4 个限位开关，以防万一出轨。 图 2轴 光伏发电自动跟踪系统结构框图 跟踪器所用传感器有三种： 方位和仰角太阳传感器，风力传感器，日光开关 。太阳传感器是把聚光电池阵列法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号的装置，它是跟踪系统的重要部件，在很大程度上决定跟踪的精度。太阳传感器测量太阳的方位，如有偏向，通过驱动电机的运转使电池阵列对准太阳。风力传感器采用感应式器件，当风 力达到一定强光 电 传 感器 防干扰电路 方位角开关电路 高度角开关电路 夜间停止电路 方位角转动机构 高度角转动机构 1 度（如 8 级风）时，控制器控制仰角驱动电机转动，使阵列向水平方向运行，直到阵列受力最小为止。在这种状况下，仰角驱动电机，不受方位太阳传感器控制 5。 日光开关也是采用光敏器件，使白天太阳能电池阵列受方位太阳传感器控制而运转；夜间，阵列不受方位太阳传感器控制，而仅受日光开关控制向东方向运行，即阵列返回到早晨初始位置。 课题设计方法的提出 轴与双轴自动跟踪系统的比较 双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的系统，它的跟踪效果好，可提高发电量，是一种非常有前途的方法，但适用于较大型的 太阳能发电系统中。我国部分地区的无跟踪光伏系统，太阳能发电效率较低 6。针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善，此方法必须满足低成本，高可靠性，高性价比。单轴自动跟踪系统和固定式光伏发电系统相比跟踪效果好，结构简单且费用较低。鉴于以上谈到的太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法，对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进，设计出具有很好性能价格比的单轴自动跟踪系统，同时也满足实际需要。 太阳能电池板与地面水平面南北方向成角，此高度角可手动进行调整。东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪，始终追随太阳的东西方 位，使太阳能电池保持较大的发电功率 7。后面部分有详细的设计内容，这里就不具体介绍了。 计目标和设计要求 课题设计目标 :根据太阳辐射能的特点、光伏电池的特性以及地球与太阳的运动规律，实现对太阳能方位角的跟踪。经查询相关资料知道秦皇岛地区地理位置，东经： 118 33 ，北 纬： 39 24 。 当地的地理纬度 当时的太阳时角，其计算公式为 15)12( （ 式中 0 24h）为每日时间，时角上午为正，下午为负。根据 可得时间与时角的关系如表 2题设计要求：所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机，需设计合理的程序近而对电机进行控制，适时改变电池板的角度。 表 2间与时角关系 时间 T 时角（度） 2 6： 00 ： 00 ： 00 ： 00 0： 00 1： 00 2： 00 0 13： 00 15 14： 00 30 15： 00 45 16： 00 60 17： 00 75 18： 00 90 3 第 3 章 自动跟踪的硬件系统设计 件设计方案 国内外目前已有了很多光伏电站。太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统，发电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。提高发电效率是降低成本的捷径，本文设计的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳，保持最大的发电效率，具有成本低等优点，有较好的推广应用价值 8。 太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件，同样的一块太阳能 电池板由于放置的角度不同，所接受的光辐射能就不同，产生的电能就不同。因此为了提高太阳能电池电能的产量，可以让太阳能板自动的随着天空中太阳的方位角的变化而实现跟踪。 如下是单轴太阳方位角跟踪系统。太阳自动跟踪系统主要分为机械部分和控制部分。机械部分主要由电池板支架，底座和直流电机构成，控制部分驱动电机，可以使电池板在东西方向上的 0 180 度自由旋转。控制部分主要由软件算法构成具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点。高度角可以手动进行调整。 太阳跟踪系统的支撑结构常见的有框架式、轴架式和旋转台式三种。前两种形 式是将光伏阵列安装在可进行太阳时角跟踪的轴向移动固定框架或轴架上。其特点是结构简单、价格便宜、安装方便。适用于支撑单轴跟踪的小功率光伏阵列，可额外附带简单的季节性仰角调节功能。旋转台式形式是一个较大的可进行时角跟踪的旋转台上安装可进行仰角跟踪的光伏阵列，它适用于支撑大功率的双轴跟踪光伏阵列，其缺点是结构复杂，造价较高。本设计考虑到高性价比采用轴架式 9。 本文设计的单轴自动跟踪电路主要包括单片机控制单元和电机驱动电路，如图 3示。 图 3 动跟踪控制电路结构框图 实时时钟 单片机控制单元 电机驱动电路 步进电机 4 件原理图及工作原理 系统的硬件原理图如图 3示。 工作原理：通过将实时时钟芯片的时间按顺序送入单片机并与设定值作比较后确定系统工作，即每天早上 6 点到晚上 6 点使跟踪系统工作。单片机通过电机驱动电路控制电机转动。当到了晚上 6 点后，自动跟踪系统停止工作，单片机控制电机转回初始位置，即使太阳能电池板到达初始位置。 单片机 为主控制芯片，主要起按设定时间自动给出控制信号以接通电机驱动电路而使电机按需要转动 13。在硬件连接上，分别以 输出接 电机驱动电路动电路的 别接电机的 钟单片机 按设定程序控制电机顺时针转动 实现对太阳的跟踪。 5 1 2 1 2 1 2 1 281 35 A T 8 9 S 8 2 5 2V c T 0I N T 1T 1T 2E A / V W E . 0P 0 . 1P 0 . 2P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 7P 0 . 6A L E / P . 0P 1 . 1P 1 . 2P 1 . 3X T A L 1 . 4P 1 . 5P 1 . 6P 1 . 7X T A L 2 K+ 5 1 u 3 2 . 7 6 8 M H u 0R E S E T+ H 0 p 0 p 1 3 0 2V c c 1S C L TV c c 2X 1X 26 作原理电路图 时时钟 本系统利用时钟芯片 取和写入实时数据，用与定时控制系统工作的启动。 美国 司推出的一种高性能、低功耗的实时时钟芯片，内含有一个实时时钟 /日历和 31 字节静态 通过简单的串行接口与单片机进行通信。实时时钟 /日历电路提供秒、分、时、日日期、月、年的信息，每月的天数和闰年的天数 可自动调整，时钟操作可通过 M 指示决定，采用 24 或 12 小时格式。 单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线：（ 1） 位，（ 2） I/O 数据线，（ 3） 行时钟）时钟 /读 /写数据以一个 6 字节或多达 31 个字节的字符组方式通信。 在 ，高电平时，选中该芯片，可对其进行操作。串行数据线 I/O 与串行时钟线 别接在 0，所有单片机地址、命令及数据均通过这两条线传输 10。 用双电源系统供电， 双电源系统中提供主电源，在这种运用方式下接到备份电源，以便在没有主电源的情况下能保存时间信息以及数据。 两者中的较大者供电。当 于 ， 电。当 于 ， 电。 下面将主要的性能指标作一综合： 实时时钟具有能计算 2100 年之前的秒、分、时、日、日期、星期、月、年的能力还有闰年调整的能力 31 8 位暂存数据存储 串行 I/O 口方式 使得管脚数量最少 宽范围工作电压 工作电流电压 ，小于 300 读 /写时钟或 据时有两种传送方式单字节传送和多字节传送字符组方式 8 脚 装或可选的 8 脚 装根据表面装配 简单 3 线接口 与 容 V 可选工业级温度范围 85 管脚配置如图 3 3 2 振管脚 地 复位脚 I/O 数据输入 /输出引脚 串行时钟 电源供电管脚 3 4 8 7 6 5 片机 控制单元 图 3 脚配置 本文的自动跟踪系统的设计采用 基于以下原因： 内部含有看门狗定时器（ 能满足无人值守条 件下自恢复运行系统运行状态的要求 片内带有 8 序存储器和 2 据存储器，不需要进行存储器扩展，有利于提高系统的稳定性 性价比高，资源充足 工作电压范围宽： 工作电压，便于交直流供电，能在一定程度上抵御电源的波动干扰，降低对电源的要求。 关于 管脚介绍： 4 个 8 位并行输入输出 I/O 接口： 、 、 、 (共 32 线 )，用于并行输入或输出数据。 ： 称为 ，当不接外部存储器与不扩 展 I/O 接口时， 为地址数据分时复用口，它分时提供 8 位地址总线和 8 位双向数据总线。 ： 称为 ，可作为准双向 I/O 接口使用。对 程和进行程序验证时， 接收输入的低 8 位地址。 ： 称为 ，一般作为准双向 I/O 接口。当接有外部存储器或扩展 I/O 接口且寻址范围超过 256 个字节时， 用于高 8 位地址总线送出高 8 位地址，对程和进行程序验证时， 接收输入的高 8 位地址。 ： 称为 ，它为双功 能口，可以作为一般的准双向 I/O 接口，也可以将每 1 位用于第 2 功能，而且 的每一条引脚均可独立定义为第 1 功能的输入输出或第 2 功能 11。 的第 2 功能见下表 3 8 表 3功能表 引脚 第 2功能 串行口输入端 ) 串行口输出端 ) 外部中断 0请求输入端，低电平有效 ) 外部中断 1请求输入端，低电平有效 ) 0 (定时器 /计数器 0计数脉冲输入端 ) 1 (定时器 /计数器 1计数脉冲输入端 ) R (外部数据存储器写选通信号输出端，低电平有效 ) D (外部数据存储器读选通信号输出端，低电平有效 ) 所以单片机 89 作为与电机驱动电路的接口用。 4 种形式。 . 脚 )： 为 备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机回复到初始状态。 . 30 脚 )：当访问外部存储器时， 允许地址锁存信号 )以每机器周期两次的信号输出，用于锁存出现在 的低 8 位地址，以便空出 脚线去传送随后 而来的片外存储器读写数据。在不访问外部存储器时， 仍以上述不变的频率，周期性地出现正脉冲信号，可作为对外输出的时钟脉冲或用于定时目的。 . 29 脚）：片外程序存储器读选通信号输出端，低电平有效。当从外部程序存储器读取指令或常数期间，每个机器周期 次有效，以通过数据总线口读回指令或常数。当访问外部数据存储器期间， 号将不出现。 . 31 脚 )： 访问外部程序存储器控制信号，低电平有效。当该端保持高电平时，单片机访问片内程序存储器。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当 保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。 40 脚 )：电源端为 +5V 0 脚 )：接地端 9 8 脚 )：接外部晶体和微调电容的一端；在 89内它是振荡电路反相放大器的输出端，振荡电路的频率就是晶体的固有频率。若采用外部时钟电路时，该引脚输 入外部时钟脉冲。要检查片内振荡电路是否正常工作时，可用示波器查看 是否有脉冲信号输出。 9 脚 )：接外部晶体和微调电容的另一端；在片内它是振荡电路反相放大器的输入端。在采用外部时钟时，该引脚必须接地。 机驱动电路 利用 口 ,编制程序输出脉冲信号 ,改变输出脉冲的电平 ,达到使电动机正转、反转和停转之目的 12。其驱动电路如图 3步进电机顺序连，既到 A 点， 到 C 点， 到 B 点， 到 D 点（参阅图 3示混合式 步进电机绕组示意图）。 序连接。 电源正极， 电源负极。混合式步进电机功率较大，而单片机各引脚的驱动能力不够，所以要借助三极管来做驱动。 T O R S P 混合式步进电机绕组 1 2 1 2 1 2 1 28 J 2 J 3 J 0J 5 J 6 J 7 J 4 图 3合式步进电机驱动电路 10 进电机 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一，广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在国民经济各个领域都有应用。本设计采用 42相步进电机，其技术参数 和技术规格见表 3 表 3机技术参数和技术规格 技术参数 技术规格 步进角精度 5% 电感精度 20% 型号 42大静力矩 44(电阻精度 10% 介电强度 500压 6V 转轴轴向跳动 轴径向跳动 流 线 6 环境温度 - +50 C 电阻 转子转动惯量 68(绝缘等级 100感 进电机是 一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接受到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。现在比较常用的步进电机有反应式步进电机（ 永磁式步进电机（ 混合式步进电机（ 单相式步进电机等。 本设计采用混合式步进电机，它集合了永磁式和反应式的特点。它又分为两相和五相：两相步进角一般为 而五相步进角一般为 本设计采用两相步进脚。步进电动机转动原理是：转动方向是通过通电的顺序来控制的，以四相单四拍为 例：按 A B C D A 次序通电时，为正转；按 A D C B A 次序通电时，为反转。 四相步进电机的脉冲分配表如表 3 3相单四拍脉冲分配表（共阳） A B C D N+0 0 1 1 1 N+1 1 0 1 1 N+2 1 1 0 1 N+3 1 1 1 0 11 第 4 章 自动跟踪的软件件系统设计 件设计方案 根据本课题的设计任务及系统的硬件结构，系统的软件设计方案如下： 单片机软件设计包括 ：跟踪系统主程序设计；中断服务程序 设计；电机驱动程序设计 。其软件程序见附录。单片机主程序主要完成系统初始化，主程序流程如图 4示。 12 图 4程序流程图 断服务程序设计 实时时钟每天早上 8 点，下午 6 点各报警一次，使单片机中断打开。单片机通过引脚 平的变化，驱动电动机转动。 单片机控制每 钟引起，进入电机驱动转动程序。流程图如图 4示。 13 图 4断服务程序流程图 14 机驱动程序设计 电机驱动程序流程图如图 4 图 4电机驱动程序流程图 15 第五章 结论与建议 本课题是针对我国部分地区的无跟踪光伏系统，太阳能发电效率低的实际问题，以解决发电效率低为目标，将单轴光伏发电自动跟踪系统应用到无跟踪系统的替代系统中。在充分考虑单轴自动跟踪系统的特点这一基础上，设计了系统的硬件和软件。该系统成本低，可靠性高，性价比高，单轴光伏发电自动跟踪系统和固定式光伏发电自动跟踪系统相比较，单轴自动跟踪系统跟踪效果好，结构简单且费用较低。 本课题的主要研究工作与结论： (1)采用单轴光伏发电自动跟踪系统作为无跟踪系统的替代系统，既解决了发电效率低的问题，又解决了原来的双轴自动跟踪系统造价 高，结构复杂，维护困难等问题。 ; (2)通过对单轴光伏发电自动跟踪系的研究，针对无跟踪光伏系统在应用中存在的问题，设计了系统的总体构成和硬件的解决方案。系统使用了实时时钟芯片 用串行通讯方式，只需二条线即可与单片机通讯，同时体积仅仅是其它同种时钟芯片的 1/4,且片内均含 增加系统的 的时钟校准也较为容易，采用专用晶振器，无需调整即可达到国家要求的时钟误差标准。本文的自动跟踪系统的设计采用 基于以下原因：内部含有看门狗定时器（ 能满足无人值守条件下自恢复 运行系统运行状态的要求，片内带有 8 序存储器和 2 据存储器，不需要进行存储器扩展，有利于提高系统的稳定性性价比高，资源充足工作电压范围宽：工作电压，便于交直流供电，能在一定程度上抵御电源的波动干扰，降低对电源的要求。 (3)本自动跟踪系统体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强，便于推广应用，研究开发具有可扩展性，为进一步开发其它光伏式自动跟踪系统，创造了良好的开端。 本文以单片机作为主要控制芯片，根据预设的程序，通过 I/O 口与驱动电路共同控制步进电机的转动， 从而使电机带动太阳能电池板转动，使之与太阳光线垂直，进而提高太阳能电池发电效率。由于时间、知识等的原因，只对单轴太阳能自动跟踪系统的基本功能进行了研究，我国目前的无跟踪光伏系统，太阳能发电效率较低。针对这一情况，对双轴太阳能自动跟踪系统进行了一定的改进，设计出单轴自动跟踪系统，这种方法与双轴太阳能自动跟踪系统相比，系统结构和控制原理更加简单，成本大大降低，满足课题的要求。希望以此作为以后研发的台阶，在研究上能更进一步。本课题在某些方面未能开展更深入的研究。为了进一步提高系统的性能，扩大其适用范围，提出以下改 进意见： (1) 仅仅满足我国部分地区的太阳能发电效率低的需求是不够的，在实际的应用中，还希望能够融合其它的信息，将单轴光伏发电的自动跟踪系统和其它信息一起采集、处理，在今后的研究工作中，加强与之关联的技术的研究也是非常必要的，给应用带来极大的方 16 便，满足我国大部分地区太阳能发电的各种要求； (2)进一步完善与各种传感器的接口电路，以适应不同的检测环境的监测； (3)软件程序有待于进一步改善，使用执行时间更短的一些算法，从而可以增加电路的采样数，使得最后的测试结果更加接近于真值； (4)后期数据处理规范化问题 ，需在软件上加以考虑，以适应不同用户、不同行业的需求。 参考文献 1 . LC . 2004,45: 19312 薛建国 . 基于 单片机的低功耗太阳电池自动跟踪系统设计 J. 沈阳工程学院学报 (自然科学版 ), 2005(2):1133杨金焕，陈中华，汪征宏光伏方阵最佳倾角 的计算 J新能源， 2000 年 2 期 4曹仁贤光伏系统的可靠性分析 J太阳能 2001 年 1 期 5王雪文，王洋等太阳能电池板自动跟踪系统的设计 J西北大学学报，第 34 卷第 2期 6陈庭金，余洁磊地面用光伏电源系统设计 J太阳能， 2000 年 1 期 7郭忠文光伏发电自动跟踪系统 D太阳能， 2004 年 1 期 内蒙古工业大学硕士学位论文 8许洪华，边莉等小型独立光伏实时数据采集检测系统 J可再生能源， 2003 年 6 期 9赵玉文 21 世纪我国太阳能利用发展趋势 J中国电力，第 33 卷第 9 期 10杨金焕，葛亮，陈焕等太阳能发电系统的最佳化设计 J能源工程， 2003 年 5 期 11陈兴峰，曹志封等光伏发电的最大功率跟踪算法研究 J可再生能源， 2005 年 1期 12李广弟，朱月秀，王秀山等单片机基础 M北京：北京航空航天大学出版社， 2005 13孙育才等 型 列单片机及其应用 M北京：清华大学出版社，2005 17 致 谢 经过 几个月 的忙碌和工作，本次毕业论文设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业论文 ，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及周围 同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。 在论文写作过程中，得到了 陈秀宏 老师的亲切关怀和耐心的指导。 她 严肃的科学态度，严谨的治学精神，精益求精的工作作风，深深地感染和激励着我 ，让我受益匪浅 。从课题的选择到 设计 的最终完成， 陈 老师都始终给予我细心的指导和不懈的支持。 在设计其间 ，陈 老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，除了敬佩 陈秀宏 老师的专业水平外， 她 的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样 ，并将 对 我今后的学习和工作 产生 积极 的 影响。在此谨向 陈 老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 在论文即将完成之际，我 很激动 ，从开始进入课题到论文的顺利完成， 得到了程辉老师的热心帮助，实训基地孟师傅对我的鼓励，同时还有许多 可敬的师长、同学、朋友给了我无言的