光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用

光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用张 鹏 1 ,王兴君 1 ,王松林 21. 陕西国防学院 电路设计研究所 陕西 西安 710300 ;2. 西安电子科技大学 陕西 西安 710071 摘 要 针对太阳能光伏系统中能量转换效率低的问题 ,提出了在该系统中采用光线自动跟踪的方法 。通过对 3 种光线自动跟踪的原理进行分析和对比 ,提出了采用光强比较法对太阳光进行自动跟踪 ,很好地解决了目前对光伏系统的智能化和高效率的要求 。 在此基础上设计了一种跟踪精度高 、 结构简单 、 控制可靠的双轴太阳光自动跟踪系统 ,有效地提高了太阳能的利用率 。关键词 转换效率 ;光伏系统 ;自动跟踪 ;角度控制 ;电机驱动中图分类号 TP273 文献标识码 B 文章编号 10042373X 2007 142189203Application of Automatic Ray2trace in Solar Photovoltaic SystemZHAN G Peng1 ,WAN G Xingjun 1 ,WAN G Songlin 2 1. The Circuit Institute ,Shaanxi Institute of Defense Industries ,Xi′ an ,710300 ,China ;2. Xidian University ,Xi′ an ,710071 ,ChinaAbstract To solve the problem of low conversion efficiency in the solar photovoltaic system ,the automatic sunray2trackingis proposed in this paper. After analyzing and contrasting the principle of three kinds of automatic sunray 2tracking ,the light in2tensity comparison method is adopted to trace the sunray automatically ,which can meet the demand of intelligentization andhigh efficiency nowadays. Therefore , the double 2axis automatic sunray 2tracking system , with high tracing accuracy , simplestructure and reliable controllability is proposed ,which help s to make full use of the solar energy.Keywords conversion efficiency ;photovoltaic system ;automatic tracking ;angle control ;motor drive收稿日期 20072012161 引 言当今 ,利用太阳能发电已成为新能源利用的一种重要的方法。 太阳能光伏电池阵列是实现光电转换的主要器件 ,其发电量多少除与电池板功率和运行状况有关外 ,还与能量的转换效率有关 ,直接影响系统性能的好坏。因此 ,其安装对太阳能发电系统的效率影响非常大。传统的太阳能电池板大都采用固定式安装 ,即电池板固定在某个位置上 ,不随太阳位置的变化而移动 ,这样的结果是将严重影响转换效率。 据测算 如果系统与太阳光线角度存在25 的偏差 ,就会因垂直射入的辐射能减少而使光伏阵列的输出功率下降 10 左右 。而采用光线自动跟踪的方式 ,使太阳能电池板的朝向精确跟随太阳位置的变化 ,始终保持太阳能电池板表面与太阳光垂直 ,这样会大大提高转换效率 [1 ] 。理想情况下 ,可以使转换效率提高 30 以上。 本文主要介绍双轴太阳光线自动跟踪系统 ,该系统具有结构简单、 可靠性高、 智能化等特点。2 原理分析在各种光线自动跟踪系统中 ,最核心的部分是对光线强度的检测与比较 ,其精度的高低是决定系统性能的重要的指标 ,也决定了光伏系统的转换效率。因此 ,在设计时应充分重视该部分的方案选择。2. 1 匀速跟踪法众所周知 ,地球的自转速度是固定的 ,可以认为 ,早上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山 ,太阳在方位角上以 15 / h 匀速运动 ,24/ h 移动一周。以方位角为 0 需查当地的磁偏角进行修正 ,倾斜角等于当地纬度作为一个极轴。 其跟踪过程是将固定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角速度 15 / h 的速度转动 ,即可达到跟踪太阳 ,保持太阳能电池板平面与太阳光线垂直。该方法控制简单 ,但安装调整困难 ,初始角度很难确定和调节 ,受季节等因素影响较大。因此 ,控制精度较差 ,一般应用在要求不高的场合。2. 2 时空同步法为了使得太阳能光伏电池阵列最大限度地从太阳获取辐射能量 ,除在选材等问题上要考虑外 ,还要考虑其方位角和倾斜角的选择。因其与时间、 季节、 当地经纬度等诸多复杂因素有关。因此 ,可以将上述相关的数据预先输入到微处理器中通过程序查表并进行方位角和倾斜角的计算 ,实现时间和空间上的同步 ,最终得出实际角度以实现精确的控制 。该方法精度高 ,具有较好的适应性 ,但程981现代电子技术 2007 年第 14 期总第 253 期 集 成 电 路 序复杂 ,不易于实现 。2. 3 光强比较法光敏电阻是电阻性传感器 ,在所受到的光强度发生变化时 ,其电阻值相应变化 ,可将光信号转换为电信号。如图 1 所示 ,将 3 个完全相同的光敏电阻置于一个平面上 ,他们之间用一个呈 “ T” 字型的遮光板分别隔开在 3 个区域中 ,遮光板的高度可调 ,用以实现精度的调节 。如果太阳光完全垂直照射到 3 个光敏电阻上 ,则他们所得到的电压完全相等 [2 ] 。 微处理器得到的电压数据相等 ,控制电机不动作 ; 如果太阳光不是完全垂直照射 ,则 3 个中必定有2 个电压或 3 个电压都不相等 ,则微处理器会控制相应电机转动 ,以使得太阳光再次垂直照射到平面上 。该方法的特点是 ,测量精度高、 电路简单、 易于实现全天候的跟踪 。本设计即采用了该方案。图 1 光强比较法示意图3 系统组成及工作原理3. 1 系统组成如图 2 所示 ,该系统主要由光敏电阻传感器、 微处理器、 电机驱动电路 、 电机和机械传动机构 5 部分组成。光传感器采用 3 支光敏电阻 ,分别采集水平和垂直方向的光强度信号。 微处理器采用 PIC 单片机控制 ,实现数据的采集、 处理以及电机的驱动控制。驱动部分采用了电机驱动芯片 ,提高了驱动能力和精确度 ,简化了系统 。电机采用直流电机或步进电机 [3 ] 。机械传动机构部分包括齿轮传动机构和减速机构 ,为了实现全天候工作 ,采用了密闭式结构 ,将电机和机械传动机构密封在一个密闭的腔体内 ,以免灰尘、 雨水等进入 ,减少维护。图 2 光线自动跟踪系统框图3. 2 工作原理由光敏电阻传感器将水平 方位角 和垂直 倾斜角 方向的光强度信号送入单片机 ,经 A/ D 转换后 ,进行比较处理 ,当其 3 个数值相同时说明太阳光与光伏电池阵列平面垂直 ,单片机不发出控制信号 ,电机不转 ,保持太阳能电池板的偏转角度 ;若其 3 个数值不同 ,单片机将进一步判断是方位角还是倾斜角出现偏差 ,从而发出相应驱动控制信号驱动芯片工作 ,控制电机转动 ,再通过传动机构和减速机构进行运动的传递和扭矩的转换 ,从而带动太阳能电池板转动 ,以消除角度偏差 ,重新使太阳光与太阳能电池板垂直 ,这样周而复始的工作 ,实现实时跟踪的目的 。为了节电 ,当程序查询出光强达到一定值时系统才开始跟踪 ,低于另一个值时即停止跟踪 ,消除了振荡现象 ;在多云或阴天要控制电机间歇工作 ,而在夜间则自动关闭电源 ,达到节电的目的。4 系统软硬件设计4. 1 硬件设计如图 3 所示 ,其中光敏电阻 RP1 , RT1 , Rcds1 和 RT2 , RP2 ,Rcds2 组成水平光强测量电路 , RP1 , R T1 , Rcds1 或 RP2 , R T2 ,Rcds2 和 Rcds2 , RT3 , Rcd3 组成垂直方向光强测量电路 。 电位器 RPX 是为了在初始状态时进行测量电压范围的调整 , 以使在各种光强状态下所测出的电压在规定的电压和精度范围内 。 在调整时 , 应模拟实际最大和最小光强 ,在该状态下测量输出电压值应在 V CC ～ 0 V 之间。 为实现系统的全天候工作 , 减小系统受温度的影响 , 在该电路中还增加了具有负温度系数的热敏电阻 RTX , 以补偿温度的影响。控制单元采用了 PIC16F88 微处理器 ,18 引脚 DIP18封装。 该处理器具有工作速度快、 功耗低、 功能强大等优点。 微处理器的 3 个引脚分别接测量单元的 3 路模拟信号 [4 ] 。 利用微处理器内自带的 10 位 A/ D 转换器 ,将代表光强的电压信号进行数字量化 ,并进行数据的分析 、 计算和处理 。 微处理器的输出引脚接驱动芯片 L MD18245 的数字控制输入端 ,实现对电机的控制和驱动 ,并可实现对驱动电路的关闭 ,以达到节电的目的。驱动单元采用当今先进的电机驱动芯片 L M18245 ,是美国国家半导体公司采用新型电流敏感技术生产的新一代 DMOS 全桥电机驱动器 ,可用于有刷直流电机或单相双极性步进电机的驱动控制。该芯片具有驱动能力强、控制安全可靠、 精度高和电压范围宽等特点 ,适合驱动中小功率的直流电机。机械传动机构包括 齿轮传动机构和减速机构 。方位角和倾斜角传感器输出的光强信号经微处理器处理 ,驱动电机 ,电机的转速经过减速机构和传动齿轮减速后带动太阳能电池阵列板在水平和垂直方向上跟踪太阳。调整速度由传动比决定 ,减速箱和传动齿轮速比之和为 n, 转动角速度 ω ; 减速电机输出转速为 v 转动速度由下式求出 ω 2π vn091制 造 技 术 张 鹏等 光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用图 3 光线自动跟踪系统硬件电路图4. 2 控制流程当清晨太阳升起 ,通过光敏电阻 RP1 , RT1 , Rcds1 和 RT2 ,RP2 , Rcds2 和 Rcds2 , R T3 , Rcd3 组成的光强测量电路 ,将代表各方向光强的电压信号送入微处理器 ,进行 A/ D 转换 ,当光强达到能够使光伏电池输出足够的功率时 ,启动跟踪系统 ,电机带动太阳能电池板自东向西 ,在水平和垂直方向逐渐对准太阳 ,开始 “ 跟踪太阳光” ,完成初始化设置。由于遮光板的存在 ,若太阳能电池板在水平方向上没有完全对准太阳 ,存在一定角度偏差 ,则微处理器所检测到的两组数据不等。 微处理器会根据其偏差值 ,发出指令控制方位角调整电机转动相应的角度。直到测得数据相等 或在允许精度范围以内 为止 [5 ] 。垂直方向上调整亦然。随后进入 “查询” 状态 ,此时 ,电机停止工作。当太阳能电池板偏离光线一定角度后再次开始 “ 跟踪” 。就这样一直跟随太阳光转动直到天黑。如遇雾天 ,为节电 ,系统处于 “待机” 状态 ,驱动电路和电机都停止工作 ;如遇到破坏性的大风和雷电天气时能自动断电停机。当天黑后 ,电机先带动太阳能电池板由西方 “返回” ,面向东方的初始位置 ,然后将整个系统断电停机 ,只需要为传感器和微处 理器 留出工 作电源 ,能维持 监测功 能即可。4. 3 软件流程系统控制软件主要对光线的角度和光强数据进行处理 ,从而得出太阳能电池板与光线的角度偏差。因此 ,在软件设计时采用多次采集 ,取平均值的方法进行数字滤波 ,减小了测量误差 ,提高了控制精度 [6 ] 。另外 ,数据的采集采用了定时采集的方法 ,延长了系统的 “ 静默” 时间 ,可有效节约电能 ,又不会影响实时控制 ,其流程如图 4 所示。5 结 语太阳光自动跟踪系统是太阳能光伏系统中重要的组图 4 控制软件流程图成部分之一 ,影响了整个系统的转换效率 ,为光伏电池阵列能始终工作于最大功率点附近奠定了基础。利用上述太阳光自动跟踪系统可以充分发挥太阳能光伏系统的能源优势 ,对其推广普及起到了重要的促进作用 ,具有广阔的应用前景。 下转第 194 页 191现代电子技术 2007 年第 14 期总第 253 期 集 成 电 路 的 0. 90PMN 20. 10PT 和 0. 80PMN 20. 20 PT 固溶体 。在扩散取代反应过程中 ,Pb TiO 3 组分的含量和颗粒尺寸减小 ,部分晶粒内部可能会有 PbTiO 3 化学微相存在。表 2 陶瓷试样退火前后的介电性能比较试样 Tm/ ℃ K m tg δ / Δ T / ℃PMN T90/ 10 未退火 26 18 220 3. 0 120. 90PMN 20. 10P T 未退火 33 13 980 0. 9 5PMN T80/ 20 未退火 67. 9 18 330 2. 3 70. 80PMN 20. 20P T 未退火 64. 7 16 825 1. 7 6PMN T90/ 10 退火 28 21 790 3. 7 150. 90PMN 20. 10P T 退火 21 15 750 2. 2 14PMN T80/ 20 退 火 71. 8 20 906 3. 2 70. 80PMN 20. 20P T 退 火 59. 8 17 000 1. 5 10结合图 2 ,0. 90PMN20. 10PT ,0. 80PMN 20. 20PT 陶瓷试样在退火后出现了明显的双峰 ,而且低温介电峰峰值受退火的影响更大。这可能与高低温相的微区组分和化学微相的组成与分布等有关。退火热处理更容易影响材料低温相内部的微区分布 ,促成缺陷和成分的分布更加均匀 ,并有可能消除部分缺陷和畴运动的障碍 ,有利于介电性能的提高。 关于高低温相的组成和受退火影响的机理的研究 ,还需要深入 。PMN2PT 组分陶瓷在双峰峰值温度之间的介电常数几乎不随温度的变化而变化 ,具有成为高容温稳定型介电材料的潜在用途。4 结 语 1 0. 80PMN 20. 20PT 陶瓷退火前后在 X 射线的探测精度范围内均为单一的钙钛矿结构。 2 PMN 2PT 与 PMN T 陶瓷退火前后具有很多类似的特性 均具有相变弥散和频率弥散的特性 ; T m 比较接近 ;退火后介电常数都有所增大。 3 PMN T90/ 10 , PMN T80/ 20 陶瓷的 Km ,tg δ 在退火前后都比陶瓷 0. 90PMN 20. 10PT ,0. 80PMN 20. 20PT 较大 ,Δ T 在退火后有所下降 ,而试样 0. 90PMN 20. 10PT ,0.80PMN 20. 20PT 的 Δ T 则在退火后有所上升。 4 0. 90PMN 20. 10PT ,0. 80PMN 20. 20PT 陶瓷在退火后出现了明显的双峰 ,且低温介电峰峰值受退火的影响更大 ,这可能与材料高低温相的微区组成和化学微相的含量和分布有关。参 考 文 献[1 ] Cross L E. 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