双轴太阳能跟踪装置的设计

双轴太阳能跟踪装置的设计

作为一种新型清洁能源，太阳能受到了世界各国的高度重视。目前太阳发电方式主要有塔式发电、碟式发电、光伏发电等,均为固定安装,无法保证太阳光实时垂直照射,导致太阳能资源不能得到充分利用。如何最大限度的提高太阳能的利用率,仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手,一是提高太阳能装置的能量转换率,二是提高太阳能的接收效率,前者属于能量转换领域,还有待研究,而后者利用现有的技术则可解决。自动太阳跟踪控制系统在实时跟踪太阳旋转的情况下,可接收到更多的太阳辐射能量,从而提高太阳能电池板的输出功率,该技术在各种太阳跟踪装置中可以广泛应用。有人研究了太阳光角度与太阳能接收率的关系,理论分析表明:太阳的跟踪与非跟踪,能量的接收率相差37.7%,精确的跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高,进而提高了太阳能发电系统的太阳能利用率,拓宽了太阳能的利用领域。1全球发展的基础1.1太阳能电池监控系统的特点根据目前太阳能技术发展特点以及国内外光伏发电系统的发展状况,以及针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在的效率偏低的现实。文中研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。具体的设计目标如下:1)双轴:系统采用两个步进电机来控制太阳能电池在水平和垂直两个方位自由的移动。2)独立:系统无需任何外部电源供电,其工作所需的能源完全来自于自身太阳能电池发电和铅酸蓄电池的储能。3)自动太阳跟踪:系统的运行无需人工手动调节,而是利用太阳位置传感器实时监测太阳方位并且跟踪太阳旋转。4)控制:保持太阳能电池最大限度地接受太阳光照射的照射。这个装置最大的特点就是让太阳能电池随着太阳位置的变化来自动实时调整方位始终保持太阳能电池接受太阳光的垂直照射,避免了余弦效应的影响,可以最大限度地提高太阳能电池的发电效率。在阴雨天或夜间等光线不足的条件下步进电机停止工作,系统停止跟踪太阳转动,以降低能耗;出现大风天气时,装置自动报警,保证系统安全。同时,人机操作界面上安装了液晶显示屏,实时读取最佳接收方位角度、电机转动速度以及温湿度,极大地丰富了功能的多样化。装置原理示意图如图1所示。1.2太阳光斑的位置调整根据基尔霍夫-菲涅尔公式,当太阳照射的法线与光电池的感光面的法线一致时,接收到的光通量最大的原理,使用位置传感器可以调节光敏面的角度实现最大光通量接收,如图2(a)所示。成像机构的水平轴指向东西方向,垂直轴指向南北方向,太阳光通过成像机构顶端小孔在接收屏上投影为太阳光斑,光斑在接收屏上的位置与太阳在天空中的方位有密切关系,如图2(b)所示。当太阳光线垂直照射光伏电阻时,设光斑所在的位置为中心O(0,0),设某时刻太阳光线在坐标轴上的位置为X(xi,yi),调整太阳光光斑与O点重合,水平和垂直方向需要分别调节:1)依据太阳光斑在水平坐标轴上的位置,即算出步进电机在水平方向上需要转动角度α,此角为光斑所在位置与O点的连线与正西方向的夹角,当系统在水平方向上顺时针转过α后太阳光斑的位置为x’,由于太阳的运动方向为自东向西,根据接收光屏的摆放位置,太阳光斑只能在第III至第IV象限之间运动,所以α的计算方法如式所示。由上推导可得,太阳方位角φs为:2)根据X′(姨xi2+yi2,O)可以计算出接收屏在垂直方向要转动的角度β后,太阳光斑回到O点。此时太阳光线垂直于成像机构的接收屏,太阳高度hs与β关系为:2光学检测系统整个系统硬件设计分为太阳自动跟踪系统和光伏电源系统的硬件设计两大部分。硬件结构图如图3所示。各硬件所实现的主要功能如下:1)光伏传感器检测光照强度以及太阳光入射角度;2)A/D转换器完成太阳光检测信号的采集,并输出及放大信号的模拟输入量;3)单片机STC89C52接收到信号后,控制步进电机自动调节接收屏的方位至最佳状态;4)步进电机在水平和垂直方向运行速度可通过电位器调节;5)液晶显示屏显示日期、时间、温湿度、方位角度、高度角以及电机转动速度;6)太阳能电池板主要将太阳能转换为电能并输送给充放电控制器;7)充放电控制器主要对蓄电池组进行充放电控制以及直流电能的输出。3ad转换控制器设计中的软件采用模块化程序,设计在本次设计中实现分块逐渐,在对每个单独进行程序修改时不影响全局,同时降低编程的工作量和调试的难度。主要流程如下:系统首先初始化,对程序中的变量值初始化。首先判断风速是否大于设定值,当未达到条件时,系统自动报警;当达到条件时,继而读取四个位置的光电信号,判断光照强度是否达到启动标准:如果未达到条件,重复读取光电信号;达到设置值后,1602液晶显示屏显示当前时间和温湿度。此时,A\D转换器输出光电信号,将太阳的高度角和方位角转换成步进电机所要转动的步数和方向。在STC89C52单片机控制下,步进电机在水平和垂直方向转动;当转到制定方位后,根据由光伏传感器通过信号处理后的信号,来判断太阳光是否垂直照射接收屏,若没有到达最佳方位,则需要修正方位角,直至达到最佳入射方向,继而命令即光斑在原点O(0,0);系统进入休眠状态。软件流程图如图4所示。4系统的优势及可行性文中设计的双轴太阳能跟踪系统采用实时自动独立跟踪和光伏检测跟踪相结合的跟踪方式实现。结合实时独立自动跟踪与光伏跟踪各自的优点,克服了单一控制及定时固定装置的缺点,并且以基于STC89C52单片机为控制器的核心芯片,使控制器具有高速计算功能、快速处理能力和低干扰性。通过硬件与软件抗干扰的结合,完善系统监控程序,设计稳定可靠的单片机复位系统是完全可行的。综上所述,文中的太阳能跟踪装置可以精确地对太阳的方位角和高度角进行实时快速准确的跟踪,具有较高的稳定性,即使在天气变化比较复杂的情况下该系统也能正常工作,