楊春勇，倪文軍，蘇家儀，侯 金，鐘志有

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院智能無線通信湖北省重點實驗室，武漢430074)

太陽能是大自然賦予人類取之不盡，用之不竭的清潔能源，因此太陽能光伏新技術(shù)在世界各國的能源工業(yè)中占有重要地位，并得到大力扶持.現(xiàn)有光伏技術(shù)中的太陽能電池板多在安裝時就被固定了接收太陽輻射的方向和姿態(tài)，固化狀態(tài)對太陽能電池板對陽光的利用率普遍較低，約為20%［1］，較大程度地影響了光伏技術(shù)的推廣應(yīng)用.利用自動跟蹤技術(shù)提高太陽能利用率已成為國內(nèi)外該領(lǐng)域的研究熱點.

目前，國內(nèi)外研究利用自動跟蹤技術(shù)提高光伏太陽能利用率的工作主要集中在兩個方向:單軸跟蹤［2，3］的槽式［4］、平板聚光系統(tǒng)和雙軸跟蹤［5-8］的蝶式、塔式及菲涅爾聚光系統(tǒng).其中，單軸槽式跟蹤聚光技術(shù)發(fā)展較為成熟，現(xiàn)已投入到商業(yè)應(yīng)用，但槽式系統(tǒng)的接收器長，散熱面大，與雙軸跟蹤系統(tǒng)相比，其熱損耗較大、跟蹤精度較低，而且其抗風(fēng)能力較弱，不適宜在大風(fēng)地區(qū)工作.與單軸槽式跟蹤聚光系統(tǒng)相比，雙軸塔式、蝶式跟蹤聚光［9，10］和線性菲涅爾聚光［11，12］供電系統(tǒng)有較高的太陽能利用率，但雙軸塔式、蝶式跟蹤聚光系統(tǒng)適合于大規(guī)模(15MW以上)循環(huán)發(fā)電，投資成本較高，不適合野外獨立微小監(jiān)測系統(tǒng)裝置供電、偏遠(yuǎn)山區(qū)或者民族地區(qū)居住較分散的農(nóng)牧民供電需求.另外，視日跟蹤［13］通過計算太陽運動軌跡，在間斷時間內(nèi)調(diào)整太陽能電池板的姿勢也可實現(xiàn)全天候跟蹤，但輸出效率較低，大多作為輔助性的跟蹤方式.我們結(jié)合雙軸跟蹤與平板太陽能電池分別在提高太陽光輻射有效接收和低成本的特點，設(shè)計一種雙軸式平板太陽能光伏電池自動向陽跟蹤裝置，用以解決小微監(jiān)測系統(tǒng)或分散農(nóng)牧民家庭的供電需求.

本文采用低成本、低功耗的MSP430單片機作為核心控制器，通過掛載PID閉環(huán)控制算法程序，控制光電傳感器跟蹤太陽輻射方向［14-17］，使太陽能電池板接收太陽輻射利用率達(dá)30%～40%.所開發(fā)的系統(tǒng)裝置可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通領(lǐng)域等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);根據(jù)不同地域的需求，選擇不同功率的太陽能電池板，價格低廉，可為國內(nèi)廣大的普通收入居民常年提供日常的家庭用電，為少數(shù)民族或偏遠(yuǎn)區(qū)域的發(fā)展提供有力的保障，有很高的經(jīng)濟收益和發(fā)展前景.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計的智能型雙軸向陽跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.系統(tǒng)主要由太陽能帆板、光照傳感器、微控制器、步進(jìn)電機組成.光照傳感器采集不同方位的光強值，通過微控制器處理后的差值轉(zhuǎn)化為電脈沖，輸入給步進(jìn)電機，驅(qū)動步進(jìn)電機帶動太陽能帆板按照光強差值減小的方向轉(zhuǎn)動，至差值為0，則步進(jìn)電機停止轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 硬件實現(xiàn)

圖1 智能型雙軸向陽跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of the intelligent two-axis control system for sun tracking

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure

圖3 光照傳感器的相對位置俯視圖Fig.3 The top view for the relative positions of light sensors

智能型雙軸向陽跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.微控制器MSP430F149引腳資源分配如下:P6.0～P6.3給4個光照傳感器，其中分別為4相光照傳感器的采樣值;P5.0～P5.3分配給水平方向步進(jìn)電機;P2.0～P2.3分配給垂直方向步進(jìn)電機.傳感器陣列由放置在同一平面上的4個完全相同的光照傳感器組成，該平面與太陽能電池板所在平面平行;光照傳感器的放置方位為東、西、南、北4個方向，圖3所示為4個光照傳感器的相對位置俯視圖.布置菱形傳感器陣列，可利用雙傳感器組的相對差值實時判斷某一時刻光強最大的具體方位，提高光強差的精確度，可使太陽能電池板短時間內(nèi)達(dá)到最大功率點.步進(jìn)電機驅(qū)動選用ST公司高電壓、大電流的L298芯片，其最高工作電壓可達(dá)46V，瞬時峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A.步進(jìn)電機選用兩相四線混合式，出軸齒數(shù)為20，帶動50齒的齒輪轉(zhuǎn)動.選用太陽能電池板的尺寸大小為48cm×38cm，額定功率為20W，額定電壓為22V，通過降壓電路為系統(tǒng)自身的步進(jìn)電機和其他負(fù)載供電.為支持太陽能、220V市電和蓄電池三重電源保障，在供電系統(tǒng)中設(shè)計一個三級智能電源切換模塊，以此避免用戶或設(shè)備頻繁掉電，增強電源的續(xù)航能力.三級智能電源供電流程如圖4所示.12V蓄電池的工作方式為隨充隨用.當(dāng)光照強度足夠大時，由太陽能電池板給12V蓄電池充電;當(dāng)光照較弱或烏云飄過時，系統(tǒng)MCU根據(jù)4個光照傳感器其中一個的輸出電壓值與系統(tǒng)設(shè)定的電壓閾值相比較，如果高于閾值，則系統(tǒng)仍繼續(xù)根據(jù)光強差值減小的方向跟蹤;如果低于閾值，即不足以給12V蓄電池充電時，跟蹤系統(tǒng)程序關(guān)閉，此時啟動二級供電電源，即市電.供電系統(tǒng)以蓄電池、市電、太陽能形成供電隊列，保證了供電的穩(wěn)定性.

圖4 三級智能電源供電流程圖Fig.4 Three grades intelligent power supply

2.2 軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)通過PID算法精確控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動.PID控制原理如圖5所示，其中r(t)為系統(tǒng)初始設(shè)定值，e(t)為反饋量，u(t)為控制量;c(t)為系統(tǒng)輸出量.

模擬PID算法的控制表達(dá)式為:

式中，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)－c(t);Kp為比例系數(shù)，Kp越大系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度越快;Ti為積分時間常數(shù)，Ti可提高系統(tǒng)的無差度;Td為微分時間常數(shù)，Td可預(yù)見系統(tǒng)偏差變化趨勢，超前控制并消除誤差.若定義Ki為積分系數(shù)，則為微分系數(shù)，則

為便于計算機實現(xiàn)，將式(1)中的微分項用差分代替，積分項用矩形和式代替，可得式(2)的數(shù)字式PID表達(dá)式，即:

式(2)也可改寫為式(3):

數(shù)字式PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，本系統(tǒng)使用的是位置式PID控制算法，下面推導(dǎo)建立位置式PID控制算法的數(shù)學(xué)模型.由式(3)可得，第時刻PID調(diào)節(jié)表達(dá)式為:

將(3)－(4)，合并同類項可得式(5):

其中系數(shù)a0、a1、a2為中間變量.式(5)即為數(shù)字式PID控制算法的數(shù)學(xué)模型.由式(5)得系統(tǒng)偏差:e(k)=a0e(k)+a1e(k－1)+a2e(k－1).當(dāng)該項偏差為0時，即u(k)=u(k－1)，兩個不同時刻的系統(tǒng)輸出量相同，說明此時系統(tǒng)已處于穩(wěn)定狀態(tài).

根據(jù)式(5)，系統(tǒng)軟件流程設(shè)計如圖5所示.系統(tǒng)軟件控制程序由光照傳感器采樣子模塊，電機驅(qū)動子模塊，PID算法子模塊，太陽能電池板自動復(fù)位子模塊組成.程序從每天太陽光強達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定閾值r(t)后，開始啟動全天候自動跟蹤程序，開啟內(nèi)部系統(tǒng)時鐘和傳感器采樣模塊，并通過閉環(huán)的PID算法，不斷反饋系統(tǒng)差值e(t)，最終迫使系統(tǒng)誤差e(t)減為零，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)光強低于設(shè)定的閾值r(t)時，系統(tǒng)不轉(zhuǎn)動.

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 The software flowchart

3 系統(tǒng)測試與結(jié)論

圖6 兩種方案的平均輸出功率對比Fig6 Comparison of average output power

圖7 兩種方案的平均輸出電壓對比Fig7 Comparison of average output voltage

本系統(tǒng)考慮到當(dāng)日17:00至次日7:00幾乎無光強或光強很弱，因此設(shè)計該時間段內(nèi)采用市電或蓄電池供電.為完成實驗測試，選擇設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測終端作為測試對象，主要由光照強度傳感器、溫濕度傳感器、大氣CO2濃度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤水溶液Ph傳感器組成.研究小組分別于2012年10月24日、11月18日、12月18日，在晴朗、寬敞、明亮的野外環(huán)境下，測得這3天中7:00～17:00時間段內(nèi)太陽能電池板的統(tǒng)計平均輸出功率與統(tǒng)計平均輸出電壓(數(shù)值結(jié)果展示分別如圖6、7所示)，兩曲線每個時段的平均輸出功率一一對應(yīng).從圖6，7中可看出，7:00～10:00，15:00～17:00時間段內(nèi)，固定式較雙軸式太陽能裝置吸收的太陽能少;11:00～14:00時間段內(nèi)，固定式與雙軸式平均輸出功率的峰值基本相同;得出的平均輸出電壓與平均輸出功率的曲線走向基本一致.經(jīng)統(tǒng)計計算，每日13:00～17:00，雙軸式平均輸出功率的漸趨線為y1=－1.73x+21.25;固定式平均輸出功率的漸趨線為y2=－3.08x+22.62;其中 y為平均輸出功率，x為時間(h).將y1與y2的差值對時間積分后除以y2在該時段內(nèi)的積分，得出雙軸式提高的輸出功率約為20%.同理，在時段7:00～12:00得到兩曲線的漸趨線后，積分得雙軸式在該時段內(nèi)提高的輸出功率約為17%.因此，雙軸式全天跟蹤比固定式太陽能裝置可平均提高37%左右的太陽能利用率.經(jīng)實際測試，系統(tǒng)正常跟蹤時，水平方向步進(jìn)電機消耗功率為3.2～4W，垂直方向步進(jìn)電機額定功率為5.5～6W，單片機消耗的功率不足1W;因此，系統(tǒng)自身在正常跟蹤時消耗的總功率約為10W;太陽能電池板可提供額定功率為20W的電能，可為野外植物生理監(jiān)測裝置等提供足夠電能.

4 結(jié)語

本文利用PID閉環(huán)控制算法設(shè)計并制作的智能型雙軸向陽動態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)與裝置，將太陽能電池板的利用率提高了37%左右，保證了正常光照條件下，輸出電量滿足實際要求;還設(shè)計了太陽能、220V市電、蓄電池三級電源供電隊列，確保太陽能系統(tǒng)在掉電情況下仍能給受電系統(tǒng)正常供電，有效地延長了全系統(tǒng)工作時間.智能型雙軸向陽跟蹤控制系統(tǒng)提高太陽能的利用率，有效地解決了我們前期開發(fā)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測終端［18］供電復(fù)雜、偏遠(yuǎn)山區(qū)供電難等問題，有較高的工程應(yīng)用價值.

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