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基本信息
- 項目名稱：
- 新型太陽自動跟蹤裝置
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 太陽能是一種清潔環(huán)保的可再生能源，為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽能的轉(zhuǎn)效率, 需要一套太陽自動跟蹤系統(tǒng)，保證太陽入射角與光電板法線的夾角始終為0°。設(shè)計了是以單片機為控制核心的太陽雙軸自動跟蹤裝置，由太陽光電傳感器獲得兩者的偏差角，經(jīng)處理后，控制直流伺服電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳動機構(gòu)實現(xiàn)光伏電池板對太陽的自動跟蹤。
- 詳細介紹：
- 1.概 述 眾所周知，太陽能是一種儲量極為豐富而且清潔無污染的可再生能源，一 旦太陽能成為可以被廣泛利用的能源，它將極大地緩解人類的能源危機，改善人居環(huán)境，推動人類社會的重大進步。 隨著化石燃料(煤、石油和天然氣)的不斷開采和消耗，能源的供應(yīng)越來越緊張，用新的可再生能源代替化石能源具有非常重大的意義。然而，3月11日，在日本本州島發(fā)生9.0級地震引起了海嘯、核電站爆炸事故，不僅使該國陷入一場核電危機，給也世界核能產(chǎn)業(yè)敲響警鐘。在經(jīng)歷了日本福島核電站的危機之后，太陽能產(chǎn)業(yè)有機會成為能源解決方案的一部分。研究表明:太陽自動跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用到平板光伏發(fā)電陣列，可以比固定模式提高33%的效率。因此，在太陽能利用中，使用跟蹤系統(tǒng)是很有必要的。太陽能跟蹤系統(tǒng)是近年來的研究熱點。目前已有多種太陽能自動跟蹤裝置。但現(xiàn)有的一維太陽能跟蹤裝置存在著跟蹤精度不高、累積誤差大、易受光線干擾、自身功耗大等問題。本項目是一種基于單片機的太陽能雙軸自動跟蹤系統(tǒng)，即一個垂直方向軸，用來跟蹤太陽方位角，一個水平方向軸，用來跟蹤太陽高度角，雙軸自動控制，互不影響。任意時刻太陽的位置可以用太陽視位置精確表示。太陽視位置用太陽高度角和太陽方位角兩個角度作為坐標(biāo)表示。太陽高度角指從太陽中心直射到當(dāng)?shù)氐墓饩€與當(dāng)?shù)厮矫娴膴A角。太陽方位角即太陽所在的方位，指太陽光線在地平面上的投影與當(dāng)?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角。系統(tǒng)采用水平方位直流伺服電機和俯仰方向直流伺服電機來追蹤太陽的方位角和高度角，從而可以實時精確追蹤太陽的位置。此系統(tǒng)能自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整太陽能電池板方向，跟蹤精度高，范圍大，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，特別適合天氣變化比較負責(zé)和無人值守的環(huán)境（如裝載太陽能供電裝置的路燈），有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價值[1]。 2.總體設(shè)計 設(shè)計的光電位置傳感器可以檢測到太陽入射角情況，信號的采集和處理需要用到相應(yīng)的硬件和軟件來實現(xiàn)，然后控制執(zhí)行機構(gòu)以及相關(guān)的輔助模塊。 控制系統(tǒng)是一個系統(tǒng)的核心部分，其主要作用是根據(jù)光電位置傳感器檢測太陽的高度角及方位角，經(jīng)處理后，控制直流伺服電機旋轉(zhuǎn)驅(qū)動傳動機構(gòu)。本設(shè)計采用絕對式編碼器來測量太陽自動跟蹤平臺的高度角和方位角，兩者作為閉環(huán)系統(tǒng)的反饋信號[2]。 3.太陽位置光電傳感器的設(shè)計 光電跟蹤原理是使用光電傳感器作為探測元件，實時探測太陽位置并將信號送達單片機進行處理后來完成對太陽位置的探測和跟蹤。當(dāng)太陽位置變化時，這些傳感器元件會得到不同的輸出結(jié)果，根據(jù)這樣的變化情況就可以知道太陽的變化情況或者知道太陽具體的偏差位置。 光電跟蹤方式的優(yōu)點很多，一方面，這種跟蹤方式屬于閉環(huán)控制方式，可以時實檢測太陽位置，對系統(tǒng)的初始安裝精度要求較低，不會受到累積誤差的影響;另一方面，這種傳感器信號少，運算處理簡單，普通的單片機即可完成信號處理及運動控制，使得系統(tǒng)的成本降低。 本系統(tǒng)采用光電跟蹤方式，太陽位置光電傳感器是關(guān)鍵部件之一，其探測可靠性和準(zhǔn)確性對系統(tǒng)跟蹤精度重要的影響。傳感器跟蹤是通過光敏元件的輸出，判斷太陽跟蹤傳感器的軸線是否正對太陽[1-3]。通過太陽跟蹤傳感器軸線與理想位置的偏差調(diào)整驅(qū)動裝置的運動狀態(tài)，從而調(diào)整跟蹤傳感器的位置使其軸線指向太陽。跟蹤機構(gòu)總的工作原理就是要使傳感器結(jié)構(gòu)的中軸線（即光伏板的法線）與太陽光線始終保持平行，便能使太陽能吸收效率達到最大。 位置檢測裝置是運動控制系統(tǒng)實現(xiàn)精確控制的重要組成部分。在閉環(huán)系統(tǒng)中，它的主要作用是檢測位移量，該位移量與給定值進行比較，得到誤差信號，控制器根據(jù)誤差信號進行控制調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)趨向減小誤差，最終使誤差為零。 傳感器的包括粗定位光電池組和精定位光電池組。當(dāng)傳感器軸線對準(zhǔn)太陽時，由于四片粗定位光電池布置在四個不同的方向(每兩片光電池的角度相隔90度)，四片光電池受到的輻照度產(chǎn)生差異，引起了電壓的差異，差異經(jīng)電壓跟隨后，輸入單片機進行處理，通過驅(qū)動電路驅(qū)動直流伺服電機，調(diào)整跟蹤傳感器的位置，使其軸線基本上指向太陽，東西方向光電池電壓差信號跟蹤太陽的方位角，南北方向光電池電壓差信號跟蹤太陽的高度角，從而實現(xiàn)對跟蹤裝置的粗略定位。 當(dāng)光電池的粗定位電路輸出在規(guī)定的范圍內(nèi)時，再根據(jù)安裝的精定位光電池的輸出進行精確定位控制，其跟蹤原理和四片粗定位光電池的跟蹤原理是一樣的，一、三象限的電壓差信號跟蹤太陽的方位角，二、四象限的電壓差信號跟蹤太陽的高度角。當(dāng)傳感器的軸線指向太陽時，無論粗定位光電池，還是精定位光電池，受到的輻照度近似相同，差異為零，驅(qū)動電路無動作[4]。該種光電跟蹤方案和傳統(tǒng)跟蹤方法相比有跟蹤范圍大、跟蹤比較穩(wěn)、具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、設(shè)計簡便的優(yōu)點。 4.單片機選型 單片機即單片微型計算機，又稱微控制器。目前單片機在智能儀表、機電設(shè)備、過程控制、數(shù)據(jù)處理、自動檢測和家用電器等各個方面應(yīng)用都很普遍。它的優(yōu)點有很多:可靠性好、易擴展、控制功能強、成本低、開發(fā)容易等。 近幾年來，8051系列單片機得到了廣泛的應(yīng)用，而美國Cygnal公司新近推出了高性能 C8051Fxxx系列單片機，可徹底改變?nèi)藗儗?051系列單片機速度慢、性能低的印象?？紤]到本項目設(shè)計的控制系統(tǒng)所需要實現(xiàn)的功能，本文將選用Cygnal公司的 C8051F020單片機作為跟蹤系統(tǒng)的主控制芯片，其主要有以下幾個優(yōu)點。 大力提高指令運行速度。與8051相比，相同時鐘下，單周期指令運行速度為原來的12倍;全指令集平均運行速度為原來的9.5倍，絲毫不遜于PIC，AVR單片機。 I/O從固定方式到交叉開關(guān)配置。在Cygnal公司的C8051F中，則采用開關(guān)網(wǎng)絡(luò)以硬件方式實現(xiàn)工/0端口的靈活配置。 最小功耗系統(tǒng)的最佳支持。C8051F實現(xiàn)了片內(nèi)模擬與數(shù)字電路的3V供電標(biāo)準(zhǔn)，大大降低了系統(tǒng)功耗。 5.信號處理電路 光電跟蹤方式是采用傳感器來感應(yīng)太陽位置來達到跟蹤的目的，所以如何采集傳感器的信號在本設(shè)計中是比較重要的問題。 光電跟蹤方式是采用傳感器來感應(yīng)太陽位置來達到跟蹤的目的，所以如何采集傳感器的信號在本設(shè)計中是比較重要的問題。 由于在相同的光照強度下，硅光電池的開路電壓與光斑面積非線性，短路電流呈線性關(guān)系，所以需要處理的信號為短路電流信號。而一般芯片都是對電壓信號進行處理，所以此處將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，然后作相應(yīng)運算處理。由于硬件處理的可靠性強，所以能用電路完成的運算盡量交給電路完成，不能完成的將交給單片機使用軟件方式完成。這里信號的加減運算由電路處理。首先將采集到的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，然后進行加減運算后交給單片機，單片機經(jīng)過計算確定太陽位置偏差的具體角度值輸出給電機驅(qū)動器驅(qū)動直流伺服電機進行相應(yīng)的運轉(zhuǎn)。 D1為四象限硅光電池的第一部分其輸出電流與接受日照成線性關(guān)系，其輸出電流I1經(jīng)過運放芯片LM324的A單元的反相端轉(zhuǎn)換成電壓信號V。偏值電阻Rn起到負反饋作用，其阻值為R。輸出電壓與輸入電流成正比，只要Rf阻值精確，輸出電壓與輸入電流成良好的線性關(guān)系。由于輸出電壓為負值，而一般模數(shù)轉(zhuǎn)換只能對正值進行處理，所以要經(jīng)過反相器進行處理。這里由于加減運算同時可以知道相應(yīng)的效果，所以直接在后面接加法器和減法器進行加法運算和減法運算。其它三路I/V轉(zhuǎn)換電路部分與此相同。輸出信號分別以Vl、V2、V3、V4表示。四個部分的偏置電阻阻值相同，使得它們的轉(zhuǎn)換是以相同的規(guī)律進行，保證后面運算的準(zhǔn)確性。 四象限硅光電池的四部分輸出電流經(jīng)過上面的腳轉(zhuǎn)換后變成電壓信號，再經(jīng)過不同的運放芯片進行相應(yīng)的處理。加法器實際上是在反相放大器的基礎(chǔ)上增加幾條輸入支路，U2B為LM324的一個單元，各輸入支路由對應(yīng)的信號源和各自的輸入電阻組成。偏置電阻Rf起到負反饋作用，其阻值與Rl、R2、R3、R4大小相等。R5為補償電阻。 6.電機驅(qū)動控制電路設(shè)計 系統(tǒng)采用了L298來代替達林頓管所構(gòu)成的驅(qū)動電路。L298是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，可用來驅(qū)動繼電器、線圈、直流電動機、步進電機等電感性負載。它的驅(qū)動電壓可達46V，直流電流總和可達4A，如圖6-1所示為電機驅(qū)動電路。 其中IN1、IN2、ENA端口控制方位角電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。使能控制端ENA接I/O口，當(dāng)I/O口為高電平時，通過PWM輸入端IN1和IN2可以控制電動機的正反轉(zhuǎn)(輸入端IN1為PWM信號，輸入端IN2為低電平，電動機正轉(zhuǎn);輸入端IN2為PWM信號，輸入端IN1為低電平，電動機反轉(zhuǎn));當(dāng)它為低電平時，驅(qū)動橋路上的4個晶體管全部截止，使正在運行的電動機電樞電流反向，電動機自由停止。電動機的轉(zhuǎn)速由單片機調(diào)節(jié)PWM信號的占空比來實現(xiàn)。IN3、IN4、ENB控制高度角電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，其原理跟控制方位角電機原理相同[5]。這兩套伺服電機分別控制跟蹤平臺的俯仰角和水平方位角，如圖6-2 所示為系統(tǒng)跟蹤平臺的實物圖。 電機停止或反向時，由于線圈電路在斷開的瞬間，將產(chǎn)生很高的感應(yīng)電勢，它可以引起控制電路的誤動作，甚至造成損害(如燒斷線圈)。所以，電機的線圈兩端必須接吸收電路[6-7]。電機線圈兩端接了兩種吸收電路以確保電機工作的穩(wěn)定性，一種是阻容吸收電路;一組是續(xù)流二極管。 本系統(tǒng)設(shè)計了四個限位開關(guān)，它有兩個作用：一是規(guī)定了電機的運行范圍，另一個是防止電機誤動作，電機運行超過極限位置，引起電線纏繞，所以跟蹤過程當(dāng)中，要判別電機是否已碰到限位開關(guān)，如若接觸限位開關(guān)，則電機立即停止。 7.結(jié)束語 本設(shè)計采用太陽位置光電傳感器實時檢測太陽位置偏差信號，并將信號進行一定的電路處理再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入給單片機，經(jīng)過單片機進行進一步的處理得到太陽位置偏差角度，驅(qū)動步進電機完成對太陽的精確跟蹤。光電傳感器信號少，運算處理簡單，普通的單片機即可完成信號處理及運動控制，使得系統(tǒng)的成本降低。本裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、不受天氣影響，可靠性高、抗干擾能力強以及經(jīng)濟實用等優(yōu)點。利用太陽能電池板向自身蓄電池充電, 不依賴其它外部電源, 特別適用于野外無人作業(yè)的太陽能設(shè)備。在太陽能熱發(fā)電、光伏發(fā)電、集熱管等太陽能設(shè)備中具有較好的推廣前景。
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作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 對于目前大型光伏電站的設(shè)計，特別是在國內(nèi)，很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，存在余弦效應(yīng)的影響，無法保證太陽光的垂直照射，光伏電池不能充分利用太陽能資源，使其接受效率低下。基于這方面考慮，我們設(shè)計開發(fā)了一款新型太陽能自動跟蹤裝置，即通過對太陽光照的捕捉，始終使光伏采光板與太陽光照垂直，從而最大限度地提高太陽能利用率。本裝置采用太陽位置光電傳感器實時檢測太陽位置偏差信號，并將信號進行一定的電路處理再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入給單片機，經(jīng)過單片機進行進一步的處理得到太陽位置偏差角度控制信號，驅(qū)動伺服電機完成對太陽的精確跟蹤。光電傳感器信號少，運算處理簡單，普通的單片機即可完成信號處理及運動控制，使得系統(tǒng)的成本降低。1、裝置采用兩級光電傳感器，包含粗定位光電池組和精定位光電池組，實現(xiàn)大范圍、高精度的太陽角度測量。2、應(yīng)用新的控制策略，即復(fù)合跟蹤系統(tǒng)的雙軸太陽跟蹤器，利用兩套伺服系統(tǒng)實現(xiàn)對高度角及方位角的精確跟蹤。3、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、不受外部天氣影響，具有自身保護功能，可靠性高。技術(shù)關(guān)鍵：雙級太陽位置光電傳感器、跟蹤方式、核心控制器的選擇、電機選擇。主要技術(shù)參數(shù)：單片機：工作電壓：3.3V；工作頻率：16MHz。伺服電機：額定電壓：DC 24V；電流：0.5A；系統(tǒng)方位角的跟蹤范圍：-125o～+125o；系統(tǒng)俯仰角的跟蹤范圍: 0o～95o；兩個方向的跟蹤誤差均小于0.5o。
科學(xué)性、先進性
- 首先，裝置采用兩級光電傳感器跟蹤—粗定位光電池組和精定位光電池組兩組傳感器，與目前市場上大多采用的單級傳感器相比，既可使裝置實現(xiàn)快速響應(yīng)，同時又實現(xiàn)對太陽的大范圍、高精度跟蹤。其次，該裝置是采用新型控制策略的雙軸太陽跟蹤器，利用兩套伺服系統(tǒng)分別實現(xiàn)對高度角及方位角的精確跟蹤。與目前多數(shù)采用的視日跟蹤方式相比，成本更低，結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，且系統(tǒng)具有完善的自身保護功能，不受外部天氣影響，可靠性高。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 無
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品 及現(xiàn)場演示
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 使用說明： 直接將太陽能自動跟蹤裝置放于室外，并利用固定裝置將其固定好，接通電源即可實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤，操作簡單、方便。 技術(shù)特點： 采用太陽位置光電傳感器實時檢測太陽位置角度偏差信號，并將信號進行一定的電路處理，再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入給單片機，經(jīng)過單片機的運算得到太陽位置偏差角度，驅(qū)動伺服電機完成對太陽的精確跟蹤。 適用范圍： 作品適用于聚光光伏發(fā)電站系統(tǒng)、塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)、碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)、陽光運輸機、光伏路燈等場合。 推廣前景： 如今全球各地都在推進光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的建設(shè)，尤其中國最近提出了“金太陽工程項目”，對滿足要求的光伏電站建設(shè)給予50%的成本補貼等優(yōu)惠措施，大大地推進了光伏發(fā)電技術(shù)的進步。該裝置技術(shù)先進，成本較低，有很好的普及與推廣價值，市場前景與經(jīng)濟效益也相當(dāng)可觀。
同類課題研究水平概述
- 太陽能跟蹤裝置的研究作為一個很有前景的項目，國內(nèi)外對其均有研究，并取得了一系列成果。 AMONIX公司開發(fā)的高效率聚光太陽能電池發(fā)電(IHCPV)就是通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和光敏定向系統(tǒng)確保雙軸液壓自動跟蹤系統(tǒng)的聚光精度最大不超過0.50，從而使該系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換總效率高達18%，高于目前平板型硅太陽電池發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換總效率。中科院電工研究所劉四洋等設(shè)計了一套主動式雙軸太陽跟蹤控制器，在西藏羊八井國家可再生能源實驗基地的實地運行中，此太陽跟蹤控制器表現(xiàn)出了良好的性能，與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，發(fā)電量提高30%以上。伍春生等以PLC16F877A為核心控制單元，設(shè)計了一種自動太陽跟蹤器，能自動跟蹤太陽的高度角與方位角，使太陽光線始終垂直入射在光伏陣列的表面以獲取最大發(fā)電效率。華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院王尚文等提出了一種新型混合雙軸太陽自動跟蹤裝置，是一種藕合程序跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統(tǒng)，即第一級用程序控制跟蹤，第二級采用傳感器跟蹤校正。 綜合以上介紹可以得出，上述研究大部分仍處于理論研究與樣機試制階段，技術(shù)和成本兩者往往相互矛盾，某些先進的技術(shù)帶來了巨額的成本。以全新理念設(shè)計一種技術(shù)高、性能好、成本低的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)勢在必行。
