沙春芳

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

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基于C8051F061的太陽(yáng)跟蹤控制器設(shè)計(jì)

沙春芳

(鹽城師范學(xué)院 新能源與電子工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002)

針對(duì)目前采用的太陽(yáng)跟蹤控制器跟蹤精度不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于C8051F061的雙模式太陽(yáng)跟蹤控制器。該控制器將視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與采用四象限光電傳感器的高精度光電跟蹤相結(jié)合，精確計(jì)算、測(cè)量出太陽(yáng)的方位角和高度角，通過(guò)方位控制步進(jìn)電機(jī)和高度控制步進(jìn)電機(jī)使電池板始終垂直于太陽(yáng)光線，提高了跟蹤精度，從而有效地提高太陽(yáng)能利用率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器具有較高的跟蹤精度。

太陽(yáng)跟蹤；四象限光電探測(cè)器；C8051F061；CAN總線

太陽(yáng)能是一種綠色、可再生能源，在能源緊張、環(huán)境問(wèn)題日益突出的今天，越來(lái)越受到人們的重視。光伏發(fā)電是利用太陽(yáng)能的主要途徑之一，在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當(dāng)電池板垂直于太陽(yáng)光時(shí)發(fā)電效率最高，因此要提高光伏發(fā)電效率，就應(yīng)使電池板隨太陽(yáng)而動(dòng)且始終保持與太陽(yáng)光的垂直[1-2]，太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)即為此而設(shè)計(jì)。

常用的太陽(yáng)能跟蹤控制主要有3種方法：(1)基于地球勻速自轉(zhuǎn)的勻速控制法；(2)利用光敏電阻的光強(qiáng)控制法；(3)基于當(dāng)前時(shí)間及地點(diǎn)經(jīng)緯度的視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。這3種控制方法都存在一些問(wèn)題，不能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的高精度跟蹤。文中利用四象限探測(cè)器對(duì)光強(qiáng)控制法進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)結(jié)合視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤設(shè)計(jì)了一種高精度太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

太陽(yáng)跟蹤控制器主要由單片機(jī)C8051F061、四象限探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路、GPS模塊、風(fēng)速傳感器、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)及隔離、CAN總線接口電路等構(gòu)成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)跟蹤控制器系統(tǒng)框圖

GPS模塊提供時(shí)間及經(jīng)緯度數(shù)據(jù)，計(jì)算出太陽(yáng)的方位角和高度角，四象限探測(cè)器的四路輸出信號(hào)經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換、電壓放大后，經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)選擇送入C8051F061的兩路16位高速ADC中進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，根據(jù)得到的轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)跟蹤偏差，經(jīng)隔離后驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整電池板的方位角和高度角，使電池板垂直于太陽(yáng)光。風(fēng)速傳感器測(cè)量當(dāng)前的風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)速過(guò)大時(shí)，控制電池板旋轉(zhuǎn)至利于抗風(fēng)的角度。為方便構(gòu)成現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)，控制器設(shè)計(jì)有CAN總線接口，通過(guò)CAN總線向其他節(jié)點(diǎn)提供當(dāng)前時(shí)間、風(fēng)速、太陽(yáng)方位角、高度角等信息，在其他節(jié)點(diǎn)配合下實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池陣列的控制。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 四象限光強(qiáng)探測(cè)及信號(hào)調(diào)理電路

2.1.1 四象限光強(qiáng)探測(cè)定位原理

四象限探測(cè)器是一種光電探測(cè)器，其感光面分割為4個(gè)相同的部分，對(duì)應(yīng)于直角坐標(biāo)系的四象限，光束照在感光面上形成圓形的光斑，探測(cè)器的4個(gè)部分分別產(chǎn)生電流，電流大小與光斑面積成正比，因此可根據(jù)電流大小計(jì)算出光斑中心的坐標(biāo)(x,y)。將4個(gè)象限的光斑面積分別記為Sa，Sb，Sc和Sd，各象限的光電流轉(zhuǎn)換成電壓后分別為Va，Vb，Vc和Vd，當(dāng)圓形光斑中心與探測(cè)器重合時(shí)，如圖2(a)所示，光斑中心坐標(biāo)為(0,0)，否則，如圖2(b)所示，可根據(jù)式(1)～式(2)計(jì)算出光斑的中心坐標(biāo)，其中k為待標(biāo)定的常數(shù)[3-4]。

(1)

(2)

設(shè)計(jì)中采用的光強(qiáng)跟蹤四象限光闌筒如圖2(c)所示。四象限探測(cè)器QP50-6安裝在光闌筒底部的中心，頂部小孔的中心與QP50-6的中心共軸，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)頂部小孔經(jīng)消雜光光闌后在四象限探測(cè)器光敏面上形成圓形光斑。由于光斑直徑與四象限探測(cè)器半徑相等時(shí)，探測(cè)靈敏度最高，根據(jù)太陽(yáng)張角(0.533°)選擇光闌筒高度h為200 mm，頂部小孔直徑為3 mm，此時(shí)太陽(yáng)光斑的直徑約等于Q50-6光敏面半徑，可實(shí)現(xiàn)最高精度跟蹤[5-6]。

圖2 四象限光強(qiáng)探測(cè)原理

太陽(yáng)方位角β、入射角θ分別為[7]

(3)

(4)

根據(jù)式(3)～式(4)求得太陽(yáng)方位角和入射角后，根據(jù)所用步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)細(xì)分情況，計(jì)算出兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)相應(yīng)的步數(shù)，控制電機(jī)調(diào)整電池板角度，使之與太陽(yáng)光垂直。

2.1.2 信號(hào)調(diào)理電路

信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示，圖中OPA129是一種高輸入阻抗、超低偏置電流、低漂移的精密運(yùn)算放大器，適合處理光電傳感器輸出的光電流信號(hào)；傳感器a象限輸出的光電流經(jīng)OPA129處理后得到電壓信號(hào)，在精密運(yùn)算放大器OP37放大后經(jīng)模擬開(kāi)關(guān)CD4066送C8051F061進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路(a象限)

2.2 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路如圖4所示。采用TJA1050作為CAN總線驅(qū)動(dòng)器，C8051F061的CAN控制器收/發(fā)信號(hào)經(jīng)高速光耦6N137隔離后與TJA1050相連。光電耦合器的使用，實(shí)現(xiàn)了總線上各節(jié)點(diǎn)的電氣隔離，增強(qiáng)了系統(tǒng)抗干擾能力。

圖4 CAN總線接口電路

2.3 風(fēng)速監(jiān)測(cè)電路及GPS模塊接口

考慮到強(qiáng)風(fēng)可能會(huì)造成太陽(yáng)能電池板的損壞，系統(tǒng)中采用5 V供電的電壓輸出型(0～5 V)YGC-FS風(fēng)速傳感器設(shè)計(jì)了風(fēng)速監(jiān)測(cè)電路，當(dāng)風(fēng)速超過(guò)設(shè)定值時(shí)，控制電池板旋轉(zhuǎn)到風(fēng)壓較小的角度。

GPS模塊與C8051F061的UART接口相連，獲取當(dāng)前地點(diǎn)的經(jīng)、緯度及時(shí)間、日期信息。根據(jù)這些信息利用公式求得當(dāng)?shù)?、?dāng)時(shí)的太陽(yáng)高度角α及方位角γ[8]

sinα=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosω

(5)

δ=23.45sin[360×(248+n)/365]

(6)

tanγ=sinω·cosδ/cosα

(7)

根據(jù)式(5)計(jì)算太陽(yáng)高度角，根據(jù)式(7)計(jì)算太陽(yáng)方位角。其中，φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?；ω為太?yáng)時(shí)角，其數(shù)值等于離正午的時(shí)間乘以15°，其中上午為負(fù)，下午為正；δ是太陽(yáng)赤緯角，由Cooper方程，即式(6)，近似求得。式(6)中n是一年中日期序號(hào)，元旦時(shí)n=1。

3 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序主要任務(wù)為：與GPS模塊通信、四象限傳感器的數(shù)據(jù)采集、CAN總線通信、對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行決策及控制。

主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)上電初始化之后，讀取GPS信息，若GPS數(shù)據(jù)有效提取經(jīng)緯度、時(shí)間、日期信息，若當(dāng)前處于系統(tǒng)工作時(shí)間，則每6 min采集一次四象限光電傳感器數(shù)據(jù)，太陽(yáng)剛升起時(shí)照度低，自動(dòng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式，亮度足夠高后自動(dòng)進(jìn)入精度更高的四象限光強(qiáng)定位跟蹤模式；非工作時(shí)間自動(dòng)回到初始位置。

圖5 主程序流程圖

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

2016年1月10日在鹽城(東經(jīng)120.21°，北緯33.38°)對(duì)所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)C8051F061的UART1上傳到PC機(jī)中，PC機(jī)上自編的LabVIEW程序接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)為Excel表格形式。其中，太陽(yáng)高度角以當(dāng)前地點(diǎn)地平線為0°，頭頂為90°；太陽(yáng)方位角以當(dāng)前地點(diǎn)正午為0°，上午為負(fù)，下午為正。測(cè)試時(shí)間8:00～16：00，每6分鐘輸出一組數(shù)據(jù)，總共獲得80組數(shù)據(jù)。太陽(yáng)高度角和方位角的跟蹤結(jié)果與各自的理論值比較分別如圖6和圖7所示。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知系統(tǒng)跟蹤誤差<±0.5°，光照度越大跟蹤誤差越小。

圖6 太陽(yáng)高度角跟蹤測(cè)試結(jié)果

圖7 太陽(yáng)方位角跟蹤測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹了一種兩個(gè)自由度的高精度太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)將視日運(yùn)動(dòng)軌跡的粗略跟蹤和基于四象限光電探測(cè)的精密跟蹤結(jié)合起來(lái)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單一太陽(yáng)跟蹤控制，大幅提高了跟蹤精度。

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Design of Solar Tracking Controller Based on C8051F061

SHA Chunfang

(School of New Energy and Electronic Engineering, Yancheng Teachers University,Yancheng 224002,China)

The paper presents a dual-mode solar tracking controller based on C8051f061 for better accuracy. The system combines the visual solar movement trajectory with the high accuracy tracking of four quadrant photoelectric detector. After the solar azimuth and altitude angle are calculated, the cell panel is adjusted vertical to the sunlight by driving the step motors that controls the azimuth and altitude to achieve high tracking precision, thus a higher utilization of solar energy. The experiment results show that the solar tracking controller can achieve high tracking accuracy.

solar tracking; four quadrant photoelectric detector; C8051F061;CAN bus

2016- 01- 24

沙春芳(1973-)，女，碩士，講師。研究方向：光電技術(shù)應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.11.004

TN209;TP

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