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當今社會(huì )人們的環(huán)保意識越來(lái)越強，光伏發(fā)電系統的應用普遍受到各國政府重視。因為它不僅能為我們提供用之不竭的可持續再生電能，并更好地保護人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境。但其發(fā)電效率較低，發(fā)電成本相對較高仍然足制約其大規模應用的重要因素。在沒(méi)有出現高效的光伏電池材料之前，研制具有實(shí)用價(jià)值的陽(yáng)光隨動(dòng)系統以降低成本，是促進(jìn)太陽(yáng)能廣泛應用的主要途徑之一。據研究，雙軸系統可提高發(fā)電量35%左右，單軸系統也可提高20%左右。 國外在20世紀 80年代就對太陽(yáng)跟蹤系統進(jìn)行了研究，如美國、德國在單雙軸自動(dòng)跟蹤、西班牙在2倍聚光反射跟蹤等方面開(kāi)發(fā)出了相應的商品化自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤器[1]。我國于 20世紀90年代左右也對其進(jìn)行了大量的研究，但一直沒(méi)有穩定可靠的商品化產(chǎn)品出現，主要原因在于： 首先，系統的運行可靠性不高，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。由于大部分光伏電站都安裝在偏遠地區，環(huán)境非常惡劣，維護困難，跟蹤系統增加了旋轉機構與相應的機械機構，可靠性明顯下降，如果不能保證整個(gè)系統的在各種環(huán)境下都能可靠穩定運行，對整個(gè)光伏系統反而是災難性的打擊；其次，跟蹤器的控制誤差偏大。尤其對反射聚光的跟蹤器，如果跟蹤誤差偏大，不但不能提高發(fā)電效率，反而會(huì )使太陽(yáng)能電池組件的受光面積變小，產(chǎn)生熱斑等不利影響，從而降低太陽(yáng)能電池組件的使用壽命；第三是采用進(jìn)口技術(shù)和器件使成本過(guò)高。全部購買(mǎi)國外成熟的技術(shù)，大大提高系統的硬件成本與維護成本，使推廣更加困難。 本文以EM78247微處理器為核心，針對光伏發(fā)電系統的電池組件，設計開(kāi)發(fā)了一種雙軸陽(yáng)光隨動(dòng)控制器，它具有運行穩定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣應用價(jià)值。 1 陽(yáng)光隨動(dòng)控制的基本原理 陽(yáng)光隨動(dòng)控制器，顧名思義其基本功能就是使光伏陣列隨著(zhù)陽(yáng)光而轉動(dòng)，基本原理框圖如圖1所示。 
圖1 光伏陣列陽(yáng)光隨動(dòng)系統原理框圖 該系統時(shí)刻檢測太陽(yáng)與光伏陣列的位置并將其輸入到控制單元，控制單元對這兩個(gè)信號進(jìn)行比較并產(chǎn)生相應的輸出信號來(lái)驅動(dòng)旋轉機構，使陽(yáng)光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上，使光伏陣列始終處于最佳光照條件下，發(fā)揮最大光伏轉換效率。 雖然太陽(yáng)在天空中的位置時(shí)刻都在變化，但其運行卻具有嚴格的規律性，在地平坐標系中，太陽(yáng)的位置可由高度角α與方位角ψ來(lái)確定，公式如下：
式中： δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當地的緯度角；α為時(shí)角。 太陽(yáng)赤緯角與時(shí)角可以由本地時(shí)間確定，而對確定的地點(diǎn)，本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當地相關(guān)地理位置與時(shí)間信息就可以確定此時(shí)此刻的太陽(yáng)位置。 2 系統的整體設計方案 EM78247是一款具有RISC結構的高性能中檔單片機，僅有35條單字指令，8 k×14個(gè)字節FLASH程序存儲器，368×8個(gè)字節RAM數據存儲器，256×8個(gè)字節E2PROM數據存儲器，14個(gè)中斷源，8級深度的硬件堆棧，內部看門(mén)狗定時(shí)器，低功耗休眠模式，高達25 mA的吸入/拉出電流，外部具有3個(gè)定時(shí)器模塊，2個(gè)16位捕捉器/16位比較器/10位PWM模塊，10位多通道A/D轉換器，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。 自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤器的控制方式主要有微處理器控制、PLC控制、DSP控制與模擬電路控制4種形式，根據以上原理，本文選擇性?xún)r(jià)比較高的EM78247單片機為控制核心，系統實(shí)現的具體原理框圖如圖2所示。 整個(gè)控制器主要由控制單元與驅動(dòng)執行機構兩部分組成�？刂茊卧山嵌扔嬎慵胺答伩刂�、啟動(dòng)信號產(chǎn)生、電機驅動(dòng)信號產(chǎn)生、保護信號處理與人機通訊5個(gè)部分組成。系統功能說(shuō)明如下：?jiǎn)纹瑱C循環(huán)檢測光伏陣列的位置，并將其與計算出的此時(shí)本地太陽(yáng)的高度角與方位角進(jìn)行比較來(lái)確定光伏陣列是否跟蹤上太陽(yáng)的位置，如果沒(méi)有啟動(dòng)信號滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，單片機就發(fā)出指令驅動(dòng)電機轉動(dòng);保護信號是保證系統在外界以及其他非人為因素情況下所執行的一種操作指令，以確保系統不受損壞，從而提高了整個(gè)系統的可靠性。驅動(dòng)執行單元主要功能是用來(lái)實(shí)現電機驅動(dòng)與旋轉，并通過(guò)機械傳動(dòng)機構帶動(dòng)光伏電池陣列轉動(dòng)。 2.1 控制單元的硬件設計 由于采用了單片機作為主控制單元，大部分工作都由單片機在軟件中實(shí)現，從而簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設計，簡(jiǎn)要說(shuō)明主要控制部分的實(shí)現過(guò)程。 (1)角度計算及反饋控制 單片機通過(guò)外擴三態(tài)鎖存器輸入口獲取時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的時(shí)間信號與光電旋轉編碼器的位置信號后，利用單片機快速運算處理能力用軟件加以實(shí)現； (2)電機驅動(dòng)信號生成 本文采用的是步進(jìn)電機，其驅動(dòng)脈沖由單片機內部自帶的10位PWM波發(fā)生模塊產(chǎn)生，只需在軟件中設置相應的有關(guān)參數就可改變電機的轉速； (3)上位機監控系統是利用單片機內部自帶的異步接受/發(fā)送器等功能模塊，硬件部分只需加MAX 232加以電平轉換，便可實(shí)現PC機與單片機的數據傳輸； (4)考慮到光伏發(fā)電只有在太陽(yáng)光強滿(mǎn)足一定強度的時(shí)候才能發(fā)電，啟動(dòng)信號主要是利用光敏二極管檢測光強，保證系統在夜間或陰雨天不滿(mǎn)足發(fā)電條件的情況下，系統停止跟蹤，檢測電路如圖3所示。主要由放大、比較與光耦隔離3個(gè)部分組成； (5)系統的保護功能主要包括大風(fēng)保護、電網(wǎng)掉電保護、振動(dòng)過(guò)大保護、限位開(kāi)關(guān)與接近開(kāi)關(guān)保護組成，單片機檢測到保護信號產(chǎn)生時(shí)，便發(fā)出指令將系統停放在安全的位置上，確保整個(gè)系統不受損壞。圖4是電網(wǎng)掉電檢測電路原理圖，主要由降壓、整流與光耦隔離3個(gè)部分組成。
圖4 電網(wǎng)掉電檢測電路原理圖 2.2 控制單元的軟件設計 軟件是該控制系統的核心，除一些保護自鎖功能通過(guò)硬件實(shí)現外，大部分功能均通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，整個(gè)軟件采用C語(yǔ)言模塊化編程方式，易于系統的移植與集成。 主程序與中斷服務(wù)子程序流程如圖5所示。首先對單片機進(jìn)行初始化，之后讀取系統初始校驗值作為光電旋轉編碼器的位置基準。主循環(huán)程序不斷檢測系統的運行狀態(tài)，如果滿(mǎn)足復位條件便發(fā)出指令轉入復位子程序，迅速將電池板轉到適當的位置后待機以等待新的指令;校驗子程序對系統重新進(jìn)行校驗，并將新的位置檢驗值存儲到單片機內部自帶的E2PROM中作為新的位置基準，他可以用來(lái)消除系統的累積誤差，同時(shí)也方便了系統的安裝與調試;系統通常運行在自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，單片機時(shí)刻檢測太陽(yáng)與電池板實(shí)際位置間的差值并結合啟動(dòng)條件發(fā)出相應的PWM脈沖，來(lái)控制電機轉動(dòng);此外主循環(huán)程序還不斷檢測當前太陽(yáng)與電池板的位置，將位置信息通過(guò)數據總線(xiàn)與RS 232分別送到液晶顯示與PC機監控軟件系統中，并將有關(guān)位置參數及時(shí)存到單片機的E2PROM中。 為了充分利用EM78247單片機的系統資源，提高單片機的檢測速度，單片機接收PC機的數據采用中斷來(lái)實(shí)現，流程框圖如圖5所示。 3 系統的抗干擾措施 能夠可靠穩定的運行是陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器走向實(shí)際應用的前提，該控制器主要從軟件與硬件兩個(gè)方面采取一定的措施來(lái)提高抗干擾能力，主要措施有： 一是外部輸入信號與控制系統信號不共地，較好地防止了相互之間的共地干擾；二是所有的外部輸入信號在輸入到單片機內部之前都經(jīng)過(guò)嚴格的光耦合電路加以隔離，較好地防止了輸入電路噪聲對單片機運算處理的干擾；三是進(jìn)一步優(yōu)化了PCB板的布線(xiàn)結構，減少了過(guò)孔，從而降低了寄生電容和雜散電感對放大電路的影響；四是保證整個(gè)系統的可靠接地；五是外部信號采用屏蔽電纜線(xiàn)傳輸，有效控制了信號傳輸過(guò)程中的池漏和電磁噪聲的干擾；六是在軟件上增加了軟件濾波、看門(mén)口定時(shí)器與軟件陷阱等措施，確保軟件在出現死機、跑飛等故障時(shí)能夠自我恢復，提高了軟件運行的可靠性，從而確保了整個(gè)控制器工作的可靠性；七是在整個(gè)控制器中的重要保護（如限位保護）均從軟件與硬件兩方面采取有效措施，實(shí)現軟硬件雙重保護，從而進(jìn)一步提高了整個(gè)控制器運行的可靠性。 總之，采取這些措施后，該陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器的抗干擾能力和運行可靠性均有很大提高，為實(shí)現商品化生產(chǎn)創(chuàng )造有利條件。 4 結語(yǔ) 陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器的穩定性與可靠性一直是其沒(méi)有被大規模應用的主要問(wèn)題之一。本文基于 EM78247單片機為控制核心，設計了一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)高度角與方位角轉動(dòng)的陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器，試驗運行結果表明該系統跟蹤準確、能耗低、可靠性高、系統性能穩定，發(fā)電效率提高20%以上，具有較大的應用價(jià)值。 參考文獻： [1] 李建英,呂文華,等.一種智能型全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤裝置的機械設計[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2003,(3). [2] 王炳忠.太陽(yáng)輻射能的測量與標準[M].北京:科學(xué)出版社,1993. [3] 李晶,竇偉,徐正國,等.光伏發(fā)電系統中最大功率點(diǎn)跟蹤算法的研究[J].太陽(yáng)能學(xué)報,2007,(3). [4] Noguchi T,Togashi S,Nakamotob R.Short-current pulsebased maximum-power-point tracking method for multiple photovoltaic-and-converter module system[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2002,49,(1):217-223. [5] 王慶章,趙庚申,許盛之,等.光伏發(fā)電系統最大功率點(diǎn)跟蹤控制方法研究[J].南開(kāi)大學(xué)學(xué)報,2005,(6). 作者：俞志根 來(lái)源：《中國電源博覽》104期 2010年01月25日 |
