西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院■張知原 張輝波 趙橋 李志強(qiáng) 任奕霖

0 引言

在能源問題日益嚴(yán)峻的今天，太陽能因其清潔、可再生的優(yōu)點(diǎn)，得到了世界各國的普遍重視[1]。利用光伏組件進(jìn)行發(fā)電在某些區(qū)域已成為電力供應(yīng)的主要來源之一[2]。目前，大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)都是采用光伏組件固定不動(dòng)的安裝方式，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率不高，對太陽能的利用不夠充分。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款加載有50 W光伏組件的雙軸自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置的機(jī)械部分采用齒輪傳動(dòng)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)，控制部分則是采用STC-89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能；通過安裝12V/8A蓄電池，可實(shí)現(xiàn)在晴朗天氣下對蓄電池充電的功能；并將具有自動(dòng)跟蹤功能的光伏組件與傳統(tǒng)的固定式光伏組件的電性能進(jìn)行了對比。

1 雙軸自動(dòng)跟蹤裝置的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟蹤太陽的方式主要有2種：1)根據(jù)太陽的運(yùn)行規(guī)律，通過所在地的位置和時(shí)間計(jì)算太陽的高度角和方位角，進(jìn)而調(diào)整角度；2)根據(jù)光電傳感器采集到的信號完成角度的調(diào)整[3]。這兩種方式的結(jié)合可更加可靠地實(shí)現(xiàn)各種天氣下的太陽的跟蹤?；趯?shí)際情況，本文采用第2種方式。

1.1 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)方案

本文采用的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該裝置的構(gòu)造為：步進(jìn)電機(jī)1固定在底座上，其輸出軸連接小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合；大齒輪連接著主軸，主軸安裝在底座上(主軸相對于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng))，主軸前端與支撐裝置相固定；步進(jìn)電機(jī)2安裝在支撐裝置上，其輸出軸連接蝸桿，與蝸輪嚙合；蝸輪與傳動(dòng)軸固定并連接著光伏支架。

圖1 雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖

本雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置采用2種傳動(dòng)方式：齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)[4]。水平方向的追蹤所需的動(dòng)力較小，采用成本與傳動(dòng)比相對較低的齒輪傳動(dòng)即可完成太陽方位角的追蹤。但是，由于豎直方向上所需的動(dòng)力相對較大，并且考慮到需要托載光伏組件，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精度，因此，豎直方向采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其自鎖的功能也提高了裝置的可靠性。

所有齒輪均選用POM材料。齒輪的具體參數(shù)為：模數(shù)m=1 mm，中心距a=60 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)比i=5；初選小齒輪齒數(shù)Z1=20，則大齒輪齒數(shù)Z2=100；小齒輪分度圓直徑d1=mZ1=20 mm；大齒輪分度圓直徑d2=mZ2=100 mm。

主軸作為整個(gè)機(jī)械裝置的傳動(dòng)與支撐結(jié)構(gòu)，選用LY12鋁棒作為主軸材料，主軸的直徑為300 mm，長度為110 mm；轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑為100 mm，長度為250 mm。

1.2 自動(dòng)跟蹤裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟蹤裝置是根據(jù)光敏電阻傳感器模塊的輸出電壓來判斷其所在角度上的光源是否與光伏組件垂直。因此，在光伏組件的4個(gè)頂點(diǎn)處安置光敏電阻傳感器模塊。

在實(shí)行此方案前，必須對光敏電阻在同一光強(qiáng)下的電阻值進(jìn)行預(yù)判，消除不同光敏電阻之間的電阻值差異；差異消除后，再根據(jù)電壓比較器返回的電平信號來判斷光伏組件是否與太陽光線垂直，若光伏組件未與光線垂直，則采用雙軸系統(tǒng)對光伏組件的位置進(jìn)行調(diào)整，從垂直和水平兩個(gè)方向的電壓比較器返回的電平信號來確定光伏組件的方向是否是光電轉(zhuǎn)換效率最高時(shí)的角度。

本裝置使用的電路元器件包括主控制器(單片機(jī)STC-89C52)、電壓比較器(LM339)、4個(gè)光敏電阻傳感器、步進(jìn)電機(jī)(J-5718HB3401)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖2 為本裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

信號接收部分的原理圖如圖3所示。光敏電阻傳感器在不同光照強(qiáng)度下會(huì)有不同的電阻值，將不同的電阻值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓，輸入到電壓比較器進(jìn)行循環(huán)比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高/低電平，隨后將電平傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)接收電平信號，然后控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使4個(gè)光敏電阻傳感器接收到的光照強(qiáng)度趨于相同[5]。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 信號接收部分的原理圖

1.3 自動(dòng)跟蹤裝置的軟件設(shè)計(jì)

在初始階段，光伏組件需與大地呈平行狀態(tài)，這樣可以避免光伏組件背對太陽而導(dǎo)致其無法正常工作。

自動(dòng)跟蹤裝置的跟蹤功能會(huì)執(zhí)行2個(gè)程序：識別方向程序和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序。單片機(jī)會(huì)先執(zhí)行識別方向程序，然后根據(jù)識別方向程序的結(jié)果執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序。程序循環(huán)執(zhí)行，直到4個(gè)光敏電阻傳感器接收到的光照強(qiáng)度相同時(shí)，程序控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。主要程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

識別方向程序源于硬件設(shè)計(jì)，電壓比較器LM339將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號后，將比較結(jié)果送至單片機(jī)的P1.0～P1.3接口(4個(gè)電壓比較器輸出的信號在代碼中已定義)，1#、2#電壓比較器控制水平方向電機(jī)，3#、4#電壓比較器控制垂直方向電機(jī)。

當(dāng)1#電壓比較器輸出為高電平、2# 電壓比較器輸出為低電平時(shí)，單片機(jī)輸出信號1，控制水平方向電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)1#電壓比較器輸出為低電平、2#電壓比較器輸出為高電平時(shí)，單片機(jī)輸出信號3，控制水平方向電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)1#與2#電壓比較器輸出相同時(shí)，單片機(jī)輸出信號2，電機(jī)靜止。3#、4#電壓比較器的工作原理與1#、2#電壓比較器的相同，但控制對象不同，3#、4#電壓比較器控制垂直方向電機(jī)。

電機(jī)控制程序會(huì)根據(jù)識別方向程序的控制字對電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。1#與3#電壓比較器輸出為高電平信號時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)這兩個(gè)電壓比較器輸出的結(jié)果進(jìn)行邏輯處理，觸發(fā)兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)的代碼；同理，2#與4#電壓比較器發(fā)出高電平的信號，單片機(jī)會(huì)觸發(fā)兩個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)的代碼。當(dāng)出現(xiàn)1#與2#電壓比較器或3#與4#電壓比較器輸出相同電平的情況時(shí)，為了防止電機(jī)出現(xiàn)顫動(dòng)的情況，單片機(jī)會(huì)令電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在一次程序執(zhí)行完畢后，單片機(jī)會(huì)清除控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向碼及轉(zhuǎn)動(dòng)碼，重新獲取電壓比較器的輸入信號，控制電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以快速與太陽保持垂直狀態(tài)。

當(dāng)方向碼和轉(zhuǎn)動(dòng)碼確定后，單片機(jī)會(huì)輸出方向信號和脈沖信號。從P0和P2兩處的I/O接口處發(fā)送脈沖信號和方向信號給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器再將信號進(jìn)行放大，進(jìn)一步控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)的實(shí)測結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)制作的雙軸自動(dòng)跟蹤裝置如圖5所示，該裝置還可為蓄電池充電。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，位于4個(gè)頂點(diǎn)處的光敏電阻傳感器如果直接處于過強(qiáng)的太陽光照射下，其分別轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓基本相同，導(dǎo)致光伏組件無法自動(dòng)跟蹤。因此，用紙板對每個(gè)光敏電阻進(jìn)行了部分遮擋，從而擴(kuò)大了光敏電阻傳感器安裝點(diǎn)的光強(qiáng)差，進(jìn)而提高了該裝置的靈敏度。實(shí)踐表明，采用此種方法后可較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。

圖5 雙軸自動(dòng)追光裝置實(shí)物圖

為了研究具有自動(dòng)跟蹤功能的裝置是否能改善光伏組件的發(fā)電性能，對該裝置在30 min內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測量。

測量選在晴天的13：30進(jìn)行，用光度計(jì)測量了30 min內(nèi)地表的光照強(qiáng)度，采樣頻率為5 min/次。對雙軸自動(dòng)跟蹤裝置的短路電流和開路電壓同樣以5 min為間隔進(jìn)行測量，并與傳統(tǒng)光伏組件固定時(shí)的情況進(jìn)行了對比，結(jié)果如表1所示。兩項(xiàng)測試使用的是同一塊光伏組件，排除了光伏組件轉(zhuǎn)換效率不同引起的誤差。其中，光伏組件的輸出功率為短路電流和開路電壓的乘積。

表1 光伏組件固定發(fā)電與自動(dòng)追光發(fā)電的對比數(shù)據(jù)

圖6為光伏組件固定發(fā)電與自動(dòng)跟蹤發(fā)電的發(fā)電功率對比情況。結(jié)合表1和圖6可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)跟蹤時(shí)的發(fā)電功率比固定時(shí)的發(fā)電功率提高了14.9%；同時(shí)，自動(dòng)跟蹤情況下的光伏組件發(fā)電功率更加穩(wěn)定，這表明該裝置的自動(dòng)跟蹤功能可使光伏組件與太陽保持垂直角度，提高發(fā)電效率。特別是隨著時(shí)間的推移，固定裝置感受到的光強(qiáng)呈下降趨勢，導(dǎo)致其發(fā)電功率下降，而跟蹤裝置感受到的光強(qiáng)相對更加穩(wěn)定，因此發(fā)電功率受到的影響不大，即使考慮到裝置自身消耗掉的小部分功率，此自動(dòng)跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢仍得到了體現(xiàn)。

圖6 固定發(fā)電與自動(dòng)追光發(fā)電的發(fā)電功率對比

3 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一套基于STC-89C52單片機(jī)的光伏組件雙軸自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置采用4個(gè)光敏電阻作為傳感器，以單片機(jī)STC-89C52作為控制核心，可根據(jù)太陽的位置自動(dòng)調(diào)整角度。通過對同樣一套裝置在固定與自動(dòng)跟蹤兩種模式下的發(fā)電性能的對比可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)跟蹤模式的發(fā)電功率更高、更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此裝置可為光伏組件的安裝方式提供一定參考。