， ，，，

(1.西北工業(yè)大學(xué) 動(dòng)力與能源學(xué)院，西安 710072；2.西北工業(yè)大學(xué) 材料學(xué)院，西安 710072；3.西北工業(yè)大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，西安 710072)

太陽能光伏-熱伏發(fā)電板的自適應(yīng)追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

傅開新1，彭凱1，程思源1，劉俊杰2，周董濤3

(1.西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，西安710072；2.西北工業(yè)大學(xué)材料學(xué)院，西安710072；3.西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，西安710072)

在小型太陽能光伏-熱伏發(fā)電系統(tǒng)中，為了提高其發(fā)電效率，通常會(huì)輔以自動(dòng)追光系統(tǒng);針對(duì)現(xiàn)有的基于多光電二極管的自動(dòng)追光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等問題，提出了一種基于光敏電阻的自適應(yīng)追光系統(tǒng);為了實(shí)現(xiàn)發(fā)電板對(duì)光源的追蹤，采用了基于負(fù)反饋的自適應(yīng)追光原理，通過軟件設(shè)計(jì)控制追光精度，同時(shí)增加了系統(tǒng)位置消抖控制;在硬件方面，采用光敏電阻感應(yīng)光強(qiáng)，借助AD轉(zhuǎn)換電路和舵機(jī)，以驅(qū)動(dòng)太陽能光伏-熱伏發(fā)電板轉(zhuǎn)動(dòng)直至發(fā)電板平面垂直于太陽光；優(yōu)化設(shè)計(jì)了光敏電阻與板面的夾角大小以調(diào)整追光的區(qū)域及誤差;最后完成了整體裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電路圖設(shè)計(jì)及仿真;結(jié)果表明，與現(xiàn)有的多光電二極管追光系統(tǒng)相比，所設(shè)計(jì)的追光系統(tǒng)機(jī)械裝置部分的設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，同時(shí)通過優(yōu)化設(shè)計(jì)改善了追光的穩(wěn)定性。

自適應(yīng)追光；光敏電阻分布；優(yōu)化設(shè)計(jì)；追光穩(wěn)定性

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)能源提出越來越高的要求。太陽能發(fā)電以其安全、清潔等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的關(guān)注與研究?，F(xiàn)有的參考資料表明，帶有自動(dòng)追光系統(tǒng)的太陽發(fā)電裝置與位置固定的太陽能發(fā)電裝置相比，太陽能的利用率可以提高35%左右[1]。但自動(dòng)跟光系統(tǒng)在實(shí)際的應(yīng)用過程中，存在著風(fēng)沙等因素影響機(jī)械裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的問題；同時(shí)隨著使用時(shí)間的增加，裝置本身的可靠性以及穩(wěn)定性也會(huì)有所降低，進(jìn)而會(huì)影響太陽能追光板的發(fā)電效率。上述問題以及人們希望最大限度利用太陽能的現(xiàn)實(shí)需求對(duì)于自動(dòng)追光系統(tǒng)的工作品質(zhì)提出了更高的要求，所以開展太陽能發(fā)電裝置自動(dòng)跟光系統(tǒng)的研究，提高其性能分析，具有重要的意義與工程應(yīng)用價(jià)值。

目前對(duì)太陽光的追蹤方式有兩種：一是光電檢測(cè)追蹤，二是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤[2-3]。光電檢測(cè)追蹤的追蹤精度高，但可靠性及穩(wěn)定性低。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的追蹤精度低，但可靠性及穩(wěn)定性高。在現(xiàn)有的自動(dòng)追光系統(tǒng)中，通常采用多光電二極管來感受光強(qiáng)，整個(gè)系統(tǒng)也存在著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜等問題。

針對(duì)以上問題，本文以光電檢測(cè)追蹤原理為基礎(chǔ)，提出了一種基于光敏電阻的自適應(yīng)追光系統(tǒng)，并進(jìn)行硬件以及軟件的設(shè)計(jì)方案，對(duì)追蹤太陽光的光敏電阻分布進(jìn)行優(yōu)化，并予以實(shí)現(xiàn)，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。

1 總體方案設(shè)計(jì)

自適應(yīng)追光系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)包括系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)以及軟件設(shè)計(jì)，采用基于負(fù)反饋的自適應(yīng)追光原理，整個(gè)裝置的原理如圖1所示。

圖1 自適應(yīng)追光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖1中追光系統(tǒng)的主要工作原理為：通過51單片機(jī)對(duì)追蹤光板上水平和豎直方向兩組光敏電阻壓差信號(hào)的處理，并與期望電壓作比較，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波來驅(qū)動(dòng)舵機(jī)，進(jìn)而帶動(dòng)追蹤太陽能發(fā)電板(以下簡(jiǎn)稱追光板)在水平以及豎直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使光敏電阻壓差信號(hào)會(huì)隨著光板對(duì)光點(diǎn)的追蹤而減小，直至追蹤到光點(diǎn)，達(dá)到最終位置。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件包含3個(gè)部分：硬件電路設(shè)計(jì)、追光機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和追光板光敏電阻分布設(shè)計(jì)。

硬件電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，主要是對(duì)舵機(jī)的控制，從而實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)追光；追光機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)整個(gè)裝置的構(gòu)建，是實(shí)現(xiàn)硬件電路控制的基礎(chǔ)，同時(shí)又與硬件電路設(shè)計(jì)聯(lián)系，考慮實(shí)際裝置應(yīng)有的機(jī)械元件；追光板光敏電阻分布設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)追光的最優(yōu)化，通過板面角度的設(shè)計(jì)問題，來實(shí)現(xiàn)追光的精度以及追光區(qū)域的最優(yōu)化。

2.1 硬件電路設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)依據(jù)總體方案下系統(tǒng)的基本原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要為控制電路的設(shè)計(jì)。

硬件控制電路部分包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)、AD芯片、舵機(jī)、光敏電阻橋式電路。硬件電路設(shè)計(jì)原理，可以看做是單片機(jī)對(duì)信號(hào)的采集、變換和控制等過程，如圖5所示。

圖2 硬件電路信號(hào)變化過程圖

硬件電路的信號(hào)變化過程如下：太陽光信號(hào)經(jīng)過光敏電阻橋式電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，電壓信號(hào)經(jīng)過AD采集為數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過51單片機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)槎鏅C(jī)的控制信號(hào)：PWM信號(hào)，最終轉(zhuǎn)變?yōu)槎鏅C(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。

實(shí)驗(yàn)過程中對(duì)光敏電阻大小的測(cè)量，我們通過實(shí)驗(yàn)改變光強(qiáng)的大小，得出電阻變化范圍如表1所示。

表1 光敏電阻阻值變化表

光強(qiáng)大小的改變是通過太陽光不照射光敏電阻、斜射以及直射光敏電阻3種情況來實(shí)現(xiàn)的，分別測(cè)量3種情況下的光敏電阻大小?？梢钥闯龉饷綦娮璧淖柚惦S著光強(qiáng)變化相對(duì)不是特別大，因此在追光過程中需要提高AD的分辨率，才能更加準(zhǔn)確地追蹤太陽光。在實(shí)物中，我們采用8位AD來轉(zhuǎn)換電壓。

2.2 追光機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

追光機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)包含所有部件的位置以及空間構(gòu)型以及幾何尺寸的大小設(shè)計(jì)。機(jī)械結(jié)構(gòu)裝置應(yīng)保證追光板在水平和豎直兩個(gè)方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)裝置可以用齒輪和傳送帶，通過舵機(jī)或者電機(jī)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于小模型裝置可選擇舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，對(duì)于大的裝置需要功率大的電機(jī)來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)為保證整個(gè)機(jī)械裝置的穩(wěn)定性，水平舵機(jī)下增加底座。機(jī)械裝置設(shè)計(jì)圖及實(shí)物如圖3和圖4所示。

圖3 追蹤光點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械裝置設(shè)計(jì)圖

圖4 追蹤光點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械裝置物理實(shí)現(xiàn)圖

其中圖3為實(shí)際工作的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，圖4為制作調(diào)試的小模型，用于代碼調(diào)試以及檢測(cè)實(shí)際追光系統(tǒng)的性能。

2.3 追光板光敏電阻分布設(shè)計(jì)

追光板光敏電阻的分布設(shè)計(jì)主要為光敏電阻與板面夾角的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題。具體設(shè)計(jì)方案如下：

圖5所示為三維坐標(biāo)系下追光板以及光敏電阻位置分布的模型。光敏電阻在追光板上呈對(duì)稱分布，可假設(shè)其與追光板夾角為，表示為最優(yōu)傾斜角。最優(yōu)的傾斜角與以下兩個(gè)指標(biāo)有關(guān)。一是可控的追光區(qū)域(表示追光前追光板的法線與軸夾角，滿足可控的最大角度(即可以追光的最大角度,與有關(guān))；二是追光的誤差(表示追光完成時(shí)追光板平面的法線與太陽光線的角度，與有關(guān))。由于二者的不一致性，導(dǎo)致一項(xiàng)指標(biāo)改善時(shí)，另一項(xiàng)指標(biāo)會(huì)變差。所以存在最優(yōu)傾斜角，滿足公式(1)中opt最大(opt為優(yōu)化目標(biāo))。

opt=λθ(α)+η/δ(α)

(1)

其中：α和η分別表示θ和δ的歸一化權(quán)重系數(shù)，代表著θ和δ的重要性程度。并且θ和δ具有不一致性，需要對(duì)δ取倒數(shù)。最終對(duì)α進(jìn)行遍歷，可求出最優(yōu)解。

圖5 追光板上光敏電阻分布圖

考慮實(shí)際情況下對(duì)整個(gè)裝置的測(cè)試，4個(gè)光敏電阻的分布大致和板面成45°時(shí)為一個(gè)相對(duì)最優(yōu)解，其原理解釋如下：

如圖6所示，此時(shí)4個(gè)光敏電阻的分布大致和板面成45°，如果太陽光從左上角45°的角度直射過來，左側(cè)的光敏電阻是正對(duì)著太陽光，但是右側(cè)的光敏電阻是背對(duì)太陽光。所以這一組光敏電阻，它們的阻值相差很大，導(dǎo)致收集到電壓和期望電壓相比差別很大，可以控制舵機(jī)調(diào)整接收板的角度，使它朝向太陽，調(diào)節(jié)效果好。

而當(dāng)光敏電阻與太陽能發(fā)電板夾角為0°時(shí)，會(huì)造成追光板結(jié)束追光后，其板面法線方向與光線方向成較大角度，追光的誤差大、效果差。

而當(dāng)光敏電阻垂直于發(fā)電板板面即與板面成90°時(shí)，追光區(qū)域范圍會(huì)縮小，追光效果也差。

綜上所述，當(dāng)4個(gè)光敏電阻的分布和板面成0～90°中間一適宜值時(shí)可以保證追光板在追光區(qū)域以及追光的精度的指標(biāo)達(dá)到相對(duì)最優(yōu)，指標(biāo)符合要求。

圖6 追光板結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于系統(tǒng)硬件電路來設(shè)計(jì)的。包含著信號(hào)采集，轉(zhuǎn)化與控制過程中的程序設(shè)計(jì)。同時(shí)在設(shè)計(jì)代碼過程中需考慮可維護(hù)性以及高效性。

軟件設(shè)計(jì)主要包括電壓信息AD采集以及驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)兩個(gè)過程。在軟件實(shí)現(xiàn)過程中主要考慮3個(gè)方面：AD采集與數(shù)據(jù)處理、舵機(jī)控制和死區(qū)消抖。軟件流程如圖7所示。

圖7 自適應(yīng)追蹤光點(diǎn)軟件流程圖

圖7中所描述的軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)思路如下：因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)是太陽光的位置，利用橋式電路將其轉(zhuǎn)換為壓差信號(hào)，通過軟件編程，利用這一信號(hào)判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)或者停止運(yùn)動(dòng)，再控制舵機(jī)相應(yīng)運(yùn)動(dòng)一個(gè)角度。然后重復(fù)判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的狀態(tài)，直至達(dá)到期望目標(biāo)，即追光板平面與太陽光線處于垂直狀態(tài)。同時(shí)考慮處于兩個(gè)方向上對(duì)光線的追蹤，即軟件設(shè)計(jì)中包括對(duì)水平舵機(jī)和豎直舵機(jī)的控制，所以一次循環(huán)，追光板的轉(zhuǎn)動(dòng)兩次，對(duì)應(yīng)水平舵機(jī)和豎直舵機(jī)各轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度。

1)AD采集：采用AD0832串行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，將光敏電阻分壓得到的電壓值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值。

2)舵機(jī)控制：采用SG90舵機(jī)實(shí)現(xiàn)追光板的轉(zhuǎn)動(dòng)，SG90的轉(zhuǎn)動(dòng)和PWM波有關(guān)。利用AD采集的數(shù)字值與期望電壓所對(duì)應(yīng)的參考值比較得出舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。SG90舵機(jī)具體工作原理如下：

舵機(jī)角度的控制一般需要一個(gè)20 ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5～2.5 ms范圍內(nèi)可調(diào)。以180度角度伺服為例，對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表2所示。

表2 舵機(jī)控制線特性表

3)死區(qū)消抖：在控制過程中，當(dāng)AD給出的采集電壓大于期望電壓時(shí)，驅(qū)動(dòng)裝置轉(zhuǎn)向使采集電壓減小的一側(cè)；當(dāng)AD所采集到電壓小于期望電壓時(shí)，則反之，以此來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽光的追蹤功能。但舵機(jī)控制精度所限，在穩(wěn)定位置處，裝置會(huì)出現(xiàn)非常劇烈的抖動(dòng)現(xiàn)象。本文所采用的舵機(jī)每次轉(zhuǎn)動(dòng)的角度是3°，在穩(wěn)定位置附近處，會(huì)出現(xiàn)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一次之前采集到的電壓值與期望電壓相比偏大，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后采集到的電壓值與期望電壓相比偏小，這樣就會(huì)出現(xiàn)裝置在期望位置附近不斷地來回抖動(dòng)。如圖8所示，其中v表示舵機(jī)速度，U表示采集的電壓，通過給定期望電壓為一死區(qū)區(qū)間范圍，即讓采集的電壓大于死區(qū)上限閾值電壓Uth+，追光板轉(zhuǎn)動(dòng)；采集的電壓小于死區(qū)下限閾值電壓Uth-，追光板向相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣便可以保證裝置不會(huì)在穩(wěn)定位置處抖動(dòng)，由于死區(qū)區(qū)間比較小，因此又不會(huì)影響追光板正對(duì)太陽。

圖8 死區(qū)消抖原理示意圖

4 系統(tǒng)仿真驗(yàn)證

系統(tǒng)的仿真是在Simulink下實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制穩(wěn)定性的仿真。

在Simulink中搭建了圖1的電機(jī)仿真模型如圖9所示，這里以一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上電機(jī)旋轉(zhuǎn)的位置控制仿真為例。其中測(cè)量的電機(jī)參數(shù)包含位置、電機(jī)及轉(zhuǎn)速，并以電機(jī)的位置進(jìn)行負(fù)反饋控制。圖9中的伺服電機(jī)[8]的詳細(xì)數(shù)學(xué)模型如圖10所示。

圖9 單自由度方向上伺服電機(jī)位置控制仿真圖

圖10 伺服電機(jī)數(shù)學(xué)模型圖

圖10中采用Simulink中S-PS和PS-S模塊實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)與仿真信號(hào)的變換，來對(duì)電機(jī)中參數(shù)進(jìn)行仿真。通過給定一個(gè)期望輸入信號(hào)，觀測(cè)電機(jī)輸出響應(yīng)過程，包含電機(jī)的位置響應(yīng)，內(nèi)部電流響應(yīng)以及速度響應(yīng)，其仿真步驟如下：

1)初始化電機(jī)參數(shù)，包含電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，內(nèi)部電阻，電感參數(shù)，選取合適值。

2)設(shè)定反饋量即當(dāng)前電機(jī)位置量與測(cè)量電壓之間的映射表。

3)給定輸入電壓的給定值，這里以單位階躍為例。

4)進(jìn)行仿真，用示波器顯示電機(jī)的位置響應(yīng)，內(nèi)部電流響應(yīng)以及速度響應(yīng)，具體響應(yīng)曲線如圖11所示。

由圖11可以看出，閉環(huán)控制下系統(tǒng)處于穩(wěn)定狀態(tài)，可以通過改變輸入量較好的控制好伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)位置。所以在實(shí)際情況下通過控制兩個(gè)電機(jī)，分別處于兩個(gè)自由度下，便可以實(shí)現(xiàn)太陽能板對(duì)太陽光點(diǎn)的追蹤。

5 結(jié)論

1)與現(xiàn)有的多光電二極管追光原理相比，此類利用光敏電阻與追光板的夾角來提高追光精度的方式，裝置設(shè)計(jì)更加容易，追光的穩(wěn)定性會(huì)有所提高。

圖11 系統(tǒng)輸出響應(yīng)圖

2)通過程序控制追光的裕度，來控制追光的誤差，使得整個(gè)裝置在追蹤到光點(diǎn)的時(shí)候不至于抖動(dòng)，有利于延長(zhǎng)裝置的使用壽命。

3)基于負(fù)反饋的自適應(yīng)追光裝置的穩(wěn)定性會(huì)有所提高，同時(shí)對(duì)于追光的精度也達(dá)到一定的要求。

4)Simulink下實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的穩(wěn)定控制，可以從原理上驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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DesignandImplementationofAdaptiveTrackingSystemforSolarPhotovoltaicandThermoelectricPanels

Fu Kaixin1, Peng Kai1, Cheng Siyuan1, Liu Junjie2, Zhou Dongtao3

(1. School of Power and Energy, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China2. School of Materials Science and Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China3. School of Mechanical and Electrical Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

In a small solar photovoltaic and thermoelectric system, automatic tracking system is often used in order to improve the efficiency of power generation. An optimal design of the structure of photosensitive resistance and tracking panels for the current adaptive tracking system is presented. An adaptive tracking system based on photosensitive resistance is proposed due to the complication of structure of automatic tracking system based on photodiode. In order to achieve tracking the target, the adaptive tracking principle based on negative feedback is used. Through software design, tracking accuracy is controlled with adding the anti-shake control system. In terms of hardware designing, photosensitive resistance is used to induce intensity of light. And AD conversion circuit and steering engine are applied. Ultimately the solar photovoltaic and thermoelectric panel is driven to move until the panel is perpendicular to the sun light. In addition, the optimal design of structure of the panels is considered to adjust the area of tracking. Finally, the mechanical structure design of the whole device, the design and simulation of circuit diagram are implemented. The results show that the design of the mechanical device is simpler and easier to actualized while compared with the existing photoelectric diode spot-tracking system and the tracking stability is improved.

adaptive tracking; photosensitive resistance distribution; optimal design; tracking stability

2017-04-12；

2017-05-06。

國(guó)家自然科學(xué)基金(51506176)。

傅開新(1996-)，男，安徽宣城人，大學(xué)生，主要從事控制科學(xué)與工程方向的研究。

1671-4598(2017)10-0224-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.10.057

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