基本信息
- 项目名称：
- 新型太阳自动跟踪装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 太阳能是一种清洁环保的可再生能源，为了提高光伏发电系统利用太阳能的转效率, 需要一套太阳自动跟踪系统，保证太阳入射角与光电板法线的夹角始终为0°。设计了是以单片机为控制核心的太阳双轴自动跟踪装置，由太阳光电传感器获得两者的偏差角，经处理后，控制直流伺服电机旋转驱动传动机构实现光伏电池板对太阳的自动跟踪。
- 详细介绍：
- 1.概 述 众所周知，太阳能是一种储量极为丰富而且清洁无污染的可再生能源，一 旦太阳能成为可以被广泛利用的能源，它将极大地缓解人类的能源危机，改善人居环境，推动人类社会的重大进步。 随着化石燃料(煤、石油和天然气)的不断开采和消耗，能源的供应越来越紧张，用新的可再生能源代替化石能源具有非常重大的意义。然而，3月11日，在日本本州岛发生9.0级地震引起了海啸、核电站爆炸事故，不仅使该国陷入一场核电危机，给也世界核能产业敲响警钟。在经历了日本福岛核电站的危机之后，太阳能产业有机会成为能源解决方案的一部分。研究表明:太阳自动跟踪系统应用到平板光伏发电阵列，可以比固定模式提高33%的效率。因此，在太阳能利用中，使用跟踪系统是很有必要的。太阳能跟踪系统是近年来的研究热点。目前已有多种太阳能自动跟踪装置。但现有的一维太阳能跟踪装置存在着跟踪精度不高、累积误差大、易受光线干扰、自身功耗大等问题。本项目是一种基于单片机的太阳能双轴自动跟踪系统，即一个垂直方向轴，用来跟踪太阳方位角，一个水平方向轴，用来跟踪太阳高度角，双轴自动控制，互不影响。任意时刻太阳的位置可以用太阳视位置精确表示。太阳视位置用太阳高度角和太阳方位角两个角度作为坐标表示。太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位，指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。系统采用水平方位直流伺服电机和俯仰方向直流伺服电机来追踪太阳的方位角和高度角，从而可以实时精确追踪太阳的位置。此系统能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板方向，跟踪精度高，范围大，结构简单、成本低，特别适合天气变化比较负责和无人值守的环境（如装载太阳能供电装置的路灯），有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值[1]。 2.总体设计 设计的光电位置传感器可以检测到太阳入射角情况，信号的采集和处理需要用到相应的硬件和软件来实现，然后控制执行机构以及相关的辅助模块。 控制系统是一个系统的核心部分，其主要作用是根据光电位置传感器检测太阳的高度角及方位角，经处理后，控制直流伺服电机旋转驱动传动机构。本设计采用绝对式编码器来测量太阳自动跟踪平台的高度角和方位角，两者作为闭环系统的反馈信号[2]。 3.太阳位置光电传感器的设计 光电跟踪原理是使用光电传感器作为探测元件，实时探测太阳位置并将信号送达单片机进行处理后来完成对太阳位置的探测和跟踪。当太阳位置变化时，这些传感器元件会得到不同的输出结果，根据这样的变化情况就可以知道太阳的变化情况或者知道太阳具体的偏差位置。 光电跟踪方式的优点很多，一方面，这种跟踪方式属于闭环控制方式，可以时实检测太阳位置，对系统的初始安装精度要求较低，不会受到累积误差的影响;另一方面，这种传感器信号少，运算处理简单，普通的单片机即可完成信号处理及运动控制，使得系统的成本降低。 本系统采用光电跟踪方式，太阳位置光电传感器是关键部件之一，其探测可靠性和准确性对系统跟踪精度重要的影响。传感器跟踪是通过光敏元件的输出，判断太阳跟踪传感器的轴线是否正对太阳[1-3]。通过太阳跟踪传感器轴线与理想位置的偏差调整驱动装置的运动状态，从而调整跟踪传感器的位置使其轴线指向太阳。跟踪机构总的工作原理就是要使传感器结构的中轴线（即光伏板的法线）与太阳光线始终保持平行，便能使太阳能吸收效率达到最大。 位置检测装置是运动控制系统实现精确控制的重要组成部分。在闭环系统中，它的主要作用是检测位移量，该位移量与给定值进行比较，得到误差信号，控制器根据误差信号进行控制调节，使系统趋向减小误差，最终使误差为零。 传感器的包括粗定位光电池组和精定位光电池组。当传感器轴线对准太阳时，由于四片粗定位光电池布置在四个不同的方向(每两片光电池的角度相隔90度)，四片光电池受到的辐照度产生差异，引起了电压的差异，差异经电压跟随后，输入单片机进行处理，通过驱动电路驱动直流伺服电机，调整跟踪传感器的位置，使其轴线基本上指向太阳，东西方向光电池电压差信号跟踪太阳的方位角，南北方向光电池电压差信号跟踪太阳的高度角，从而实现对跟踪装置的粗略定位。 当光电池的粗定位电路输出在规定的范围内时，再根据安装的精定位光电池的输出进行精确定位控制，其跟踪原理和四片粗定位光电池的跟踪原理是一样的，一、三象限的电压差信号跟踪太阳的方位角，二、四象限的电压差信号跟踪太阳的高度角。当传感器的轴线指向太阳时，无论粗定位光电池，还是精定位光电池，受到的辐照度近似相同，差异为零，驱动电路无动作[4]。该种光电跟踪方案和传统跟踪方法相比有跟踪范围大、跟踪比较稳、具有结构简单、价格低廉、设计简便的优点。 4.单片机选型 单片机即单片微型计算机，又称微控制器。目前单片机在智能仪表、机电设备、过程控制、数据处理、自动检测和家用电器等各个方面应用都很普遍。它的优点有很多:可靠性好、易扩展、控制功能强、成本低、开发容易等。 近几年来，8051系列单片机得到了广泛的应用，而美国Cygnal公司新近推出了高性能 C8051Fxxx系列单片机，可彻底改变人们对8051系列单片机速度慢、性能低的印象。考虑到本项目设计的控制系统所需要实现的功能，本文将选用Cygnal公司的 C8051F020单片机作为跟踪系统的主控制芯片，其主要有以下几个优点。 大力提高指令运行速度。与8051相比，相同时钟下，单周期指令运行速度为原来的12倍;全指令集平均运行速度为原来的9.5倍，丝毫不逊于PIC，AVR单片机。 I/O从固定方式到交叉开关配置。在Cygnal公司的C8051F中，则采用开关网络以硬件方式实现工/0端口的灵活配置。 最小功耗系统的最佳支持。C8051F实现了片内模拟与数字电路的3V供电标准，大大降低了系统功耗。 5.信号处理电路 光电跟踪方式是采用传感器来感应太阳位置来达到跟踪的目的，所以如何采集传感器的信号在本设计中是比较重要的问题。 光电跟踪方式是采用传感器来感应太阳位置来达到跟踪的目的，所以如何采集传感器的信号在本设计中是比较重要的问题。 由于在相同的光照强度下，硅光电池的开路电压与光斑面积非线性，短路电流呈线性关系，所以需要处理的信号为短路电流信号。而一般芯片都是对电压信号进行处理，所以此处将电流信号转换为电压信号，然后作相应运算处理。由于硬件处理的可靠性强，所以能用电路完成的运算尽量交给电路完成，不能完成的将交给单片机使用软件方式完成。这里信号的加减运算由电路处理。首先将采集到的电流信号转换成电压信号，然后进行加减运算后交给单片机，单片机经过计算确定太阳位置偏差的具体角度值输出给电机驱动器驱动直流伺服电机进行相应的运转。 D1为四象限硅光电池的第一部分其输出电流与接受日照成线性关系，其输出电流I1经过运放芯片LM324的A单元的反相端转换成电压信号V。偏值电阻Rn起到负反馈作用，其阻值为R。输出电压与输入电流成正比，只要Rf阻值精确，输出电压与输入电流成良好的线性关系。由于输出电压为负值，而一般模数转换只能对正值进行处理，所以要经过反相器进行处理。这里由于加减运算同时可以知道相应的效果，所以直接在后面接加法器和减法器进行加法运算和减法运算。其它三路I/V转换电路部分与此相同。输出信号分别以Vl、V2、V3、V4表示。四个部分的偏置电阻阻值相同，使得它们的转换是以相同的规律进行，保证后面运算的准确性。 四象限硅光电池的四部分输出电流经过上面的脚转换后变成电压信号，再经过不同的运放芯片进行相应的处理。加法器实际上是在反相放大器的基础上增加几条输入支路，U2B为LM324的一个单元，各输入支路由对应的信号源和各自的输入电阻组成。偏置电阻Rf起到负反馈作用，其阻值与Rl、R2、R3、R4大小相等。R5为补偿电阻。 6.电机驱动控制电路设计 系统采用了L298来代替达林顿管所构成的驱动电路。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电机等电感性负载。它的驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A，如图6-1所示为电机驱动电路。 其中IN1、IN2、ENA端口控制方位角电机的转向和转速。使能控制端ENA接I/O口，当I/O口为高电平时，通过PWM输入端IN1和IN2可以控制电动机的正反转(输入端IN1为PWM信号，输入端IN2为低电平，电动机正转;输入端IN2为PWM信号，输入端IN1为低电平，电动机反转);当它为低电平时，驱动桥路上的4个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。电动机的转速由单片机调节PWM信号的占空比来实现。IN3、IN4、ENB控制高度角电机的转向和转速，其原理跟控制方位角电机原理相同[5]。这两套伺服电机分别控制跟踪平台的俯仰角和水平方位角，如图6-2 所示为系统跟踪平台的实物图。 电机停止或反向时，由于线圈电路在断开的瞬间，将产生很高的感应电势，它可以引起控制电路的误动作，甚至造成损害(如烧断线圈)。所以，电机的线圈两端必须接吸收电路[6-7]。电机线圈两端接了两种吸收电路以确保电机工作的稳定性，一种是阻容吸收电路;一组是续流二极管。 本系统设计了四个限位开关，它有两个作用：一是规定了电机的运行范围，另一个是防止电机误动作，电机运行超过极限位置，引起电线缠绕，所以跟踪过程当中，要判别电机是否已碰到限位开关，如若接触限位开关，则电机立即停止。 7.结束语 本设计采用太阳位置光电传感器实时检测太阳位置偏差信号，并将信号进行一定的电路处理再经过模数转换输入给单片机，经过单片机进行进一步的处理得到太阳位置偏差角度，驱动步进电机完成对太阳的精确跟踪。光电传感器信号少，运算处理简单，普通的单片机即可完成信号处理及运动控制，使得系统的成本降低。本装置具有结构简单、不受天气影响，可靠性高、抗干扰能力强以及经济实用等优点。利用太阳能电池板向自身蓄电池充电, 不依赖其它外部电源, 特别适用于野外无人作业的太阳能设备。在太阳能热发电、光伏发电、集热管等太阳能设备中具有较好的推广前景。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 对于目前大型光伏电站的设计，特别是在国内，很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，存在余弦效应的影响，无法保证太阳光的垂直照射，光伏电池不能充分利用太阳能资源，使其接受效率低下。基于这方面考虑，我们设计开发了一款新型太阳能自动跟踪装置，即通过对太阳光照的捕捉，始终使光伏采光板与太阳光照垂直，从而最大限度地提高太阳能利用率。本装置采用太阳位置光电传感器实时检测太阳位置偏差信号，并将信号进行一定的电路处理再经过模数转换输入给单片机，经过单片机进行进一步的处理得到太阳位置偏差角度控制信号，驱动伺服电机完成对太阳的精确跟踪。光电传感器信号少，运算处理简单，普通的单片机即可完成信号处理及运动控制，使得系统的成本降低。1、装置采用两级光电传感器，包含粗定位光电池组和精定位光电池组，实现大范围、高精度的太阳角度测量。2、应用新的控制策略，即复合跟踪系统的双轴太阳跟踪器，利用两套伺服系统实现对高度角及方位角的精确跟踪。3、系统结构简单、不受外部天气影响，具有自身保护功能，可靠性高。技术关键：双级太阳位置光电传感器、跟踪方式、核心控制器的选择、电机选择。主要技术参数：单片机：工作电压：3.3V；工作频率：16MHz。伺服电机：额定电压：DC 24V；电流：0.5A；系统方位角的跟踪范围：-125º～+125º；系统俯仰角的跟踪范围: 0º～95º；两个方向的跟踪误差均小于0.5º。
科学性、先进性
- 首先，装置采用两级光电传感器跟踪—粗定位光电池组和精定位光电池组两组传感器，与目前市场上大多采用的单级传感器相比，既可使装置实现快速响应，同时又实现对太阳的大范围、高精度跟踪。其次，该装置是采用新型控制策略的双轴太阳跟踪器，利用两套伺服系统分别实现对高度角及方位角的精确跟踪。与目前多数采用的视日跟踪方式相比，成本更低，结构简单，控制方便，且系统具有完善的自身保护功能，不受外部天气影响，可靠性高。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物、产品 及现场演示
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 使用说明： 直接将太阳能自动跟踪装置放于室外，并利用固定装置将其固定好，接通电源即可实现对太阳的自动跟踪，操作简单、方便。 技术特点： 采用太阳位置光电传感器实时检测太阳位置角度偏差信号，并将信号进行一定的电路处理，再经过模数转换输入给单片机，经过单片机的运算得到太阳位置偏差角度，驱动伺服电机完成对太阳的精确跟踪。 适用范围： 作品适用于聚光光伏发电站系统、塔式太阳能发电系统、碟式太阳能发电系统、阳光运输机、光伏路灯等场合。 推广前景： 如今全球各地都在推进光伏发电产业的建设，尤其中国最近提出了“金太阳工程项目”，对满足要求的光伏电站建设给予50%的成本补贴等优惠措施，大大地推进了光伏发电技术的进步。该装置技术先进，成本较低，有很好的普及与推广价值，市场前景与经济效益也相当可观。
同类课题研究水平概述
- 太阳能跟踪装置的研究作为一个很有前景的项目，国内外对其均有研究，并取得了一系列成果。 AMONIX公司开发的高效率聚光太阳能电池发电(IHCPV)就是通过GPS卫星定位系统和光敏定向系统确保双轴液压自动跟踪系统的聚光精度最大不超过0.50，从而使该系统的光电转换总效率高达18%，高于目前平板型硅太阳电池发电系统的光电转换总效率。中科院电工研究所刘四洋等设计了一套主动式双轴太阳跟踪控制器，在西藏羊八井国家可再生能源实验基地的实地运行中，此太阳跟踪控制器表现出了良好的性能，与固定式光伏发电系统相比，发电量提高30%以上。伍春生等以PLC16F877A为核心控制单元，设计了一种自动太阳跟踪器，能自动跟踪太阳的高度角与方位角，使太阳光线始终垂直入射在光伏阵列的表面以获取最大发电效率。华中科技大学能源与动力工程学院王尚文等提出了一种新型混合双轴太阳自动跟踪装置，是一种藕合程序跟踪和传感器跟踪的混合跟踪系统，即第一级用程序控制跟踪，第二级采用传感器跟踪校正。 综合以上介绍可以得出，上述研究大部分仍处于理论研究与样机试制阶段，技术和成本两者往往相互矛盾，某些先进的技术带来了巨额的成本。以全新理念设计一种技术高、性能好、成本低的太阳能自动跟踪系统势在必行。
