雙蹤太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究

摘要　提出了一種基于單片機的自給動力的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計方法。該方法利用硅光電池散片作為傳感器，通過單片機控制機械轉(zhuǎn)動裝置，根據(jù)太陽光方向自動調(diào)整太陽能電池板方向，自動跟蹤太陽，系統(tǒng)自給電力，功耗小。經(jīng)測試，該系統(tǒng)可以有效提高太陽能的利用率，特別適用于城市園林設(shè)施和交通照明。 　　太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。但是太陽能的利用受地形、地勢、位置、云雨等自然條件的影響很大，存在著間歇性和光照方向、強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。 　　據(jù)研究，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高30%。筆者提出一種新型的利用自制傳感器監(jiān)測太陽的照射角度，利用硅光電池自給動力的太陽自動跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且跟蹤過程不必人工干預(yù)，在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，有廣闊的應(yīng)用前景。并根據(jù)該跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計思想，進行了應(yīng)用模擬試驗。 　　1　系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理 　　自動跟蹤系統(tǒng)主要用于驅(qū)動10~20kW的太陽能電池板，太陽能電池板架由初始位置自東向西自動跟隨太陽相對運動的方向按間歇方式分段轉(zhuǎn)動，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板保持在較大的功率輸出狀態(tài)。 　　日落后，旋轉(zhuǎn)控制電路中的回轉(zhuǎn)復(fù)位電路自動啟動，帶動光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板架回轉(zhuǎn)至初始位置，并處于休眠狀態(tài)。早晨，太陽升起，電路啟動，控制電路自動尋找太陽。該裝置一方面自身能耗較低，另一方面利用硅光電池自給動力，在相同的用電功率需求條件下，可以有效降低能源消耗，降低太陽能電池工程的安裝造價。跟蹤系統(tǒng)基本組成見圖1。 　　太陽能電池自動跟蹤系統(tǒng)主要分為機械部分和太陽自動跟蹤控制電路部分。機械部分主要由硅光電池傳感檢測電路、雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)和蓄電池構(gòu)成；太陽自動跟蹤控制電路主要由傳感信號處理電路、單片機電路、驅(qū)動電路等幾部分組成。整個裝置達到以下目標：①工作安全可靠，保證電池板在設(shè)計跟蹤時間內(nèi)都能正對太陽；②夜間自動返回原始工作位置，以備第2天工作需要；③具有故障診斷功能，在轉(zhuǎn)動機構(gòu)失效時，使電池板停止工作運轉(zhuǎn)，防止損壞機構(gòu)；④采用硅光電池和蓄電池配合自給動力，不需外置電源；⑤采取間歇性工作方式，以節(jié)省電能消耗。 　　跟蹤系統(tǒng)采用4片1cm2硅光電池散片組成傳感器，2片1組，夾角在30°~60°，組成楔形光電傳感器，分別檢測太陽的水平角度和垂直角度，通過驅(qū)動電路控制機械部分。 　　機械部分采用雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)，主要由電池板支架、底座、兩轉(zhuǎn)動軸和直流水平驅(qū)動電機構(gòu)成，整個太陽能電池板及硅光電池檢測裝置安裝在圖1中上部的電池板支架上。跟蹤裝置設(shè)計成雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)，可以同時在水平方位角和垂直高度角2個方向上跟蹤。在驅(qū)動電路的控制下可以使電池板在水平方向上的270°和垂直方向上的0~90°自由旋轉(zhuǎn)。水平和垂直控制系統(tǒng)分別有自己的傳感器、信號放大電路、電機控制系統(tǒng)，帶動太陽能集光板始終以與太陽光線呈90°的最大直射角度工作。 　　控制電路部分主要由單片機系統(tǒng)構(gòu)成，其具有成本低、功耗低、智能化程度高、指令少等優(yōu)點。以8位微處理器AT89C2051為核心，配合內(nèi)部的邏輯芯片和外圍的電路元件，該器件通過信號檢測和處理，間歇控制雙軸機械機構(gòu)跟蹤太陽移動，機械機構(gòu)動力由直流電動機提供，并且可以根據(jù)太陽能電池功率調(diào)整裝置的機械外形和尺寸，實現(xiàn)對不同面積太陽能板的控制。 　　控制電路部分設(shè)計原理見圖2。在圖2的電路中，用硅光電池散片作為方位檢測元件，當(dāng)陽光不是直射時，同組內(nèi)的硅光電池散片接受光照的強弱不同，這種不同會導(dǎo)致硅光電池的電壓不同，同組內(nèi)產(chǎn)生的電壓通過電壓比較器可以判斷光照在不同方向的強弱，把信號比較器比較的結(jié)果(1高電平，0低電平)送給單片機89C2051，單片機控制電路依據(jù)輸入的信號，運行程序控制2個直流電機的轉(zhuǎn)向:一個控制水平面內(nèi)的左右方向轉(zhuǎn)動；一個控制垂直面內(nèi)的上下方向轉(zhuǎn)動，使太陽能電池板能始終垂直于太陽光。 　　為了降低功耗，采用間歇控制方式，間歇時間可根據(jù)要求任意調(diào)整。該設(shè)計采用間歇時間為0.5h，采用定時檢測傳感器信號，控制雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，不轉(zhuǎn)動時單片機絕大部分處于休眠狀態(tài)，此時的功耗為正常工作時的15%。 　　2　軟件設(shè)計 　　自動跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化的結(jié)構(gòu)，跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現(xiàn)。系統(tǒng)開始工作后，系統(tǒng)程序開始計時，定時調(diào)用信號采集程序，電路開始檢測外部中斷信號P1.0和P1.7，外部中斷信號是硅光電池傳感器的電平信號和其變化量，如果有外部中斷信號符合調(diào)整條件，就進入調(diào)整子程序，調(diào)整電池板角度。為了滿足全自動的需要，系統(tǒng)還通過檢測到的外部中斷信號來判斷是否是白天，自動開啟或關(guān)閉跟蹤模式，這樣可以防止夜間無意義的跟蹤，減少電池的消耗。如果蓄電池的電壓低于一定值，系統(tǒng)將發(fā)出警報，切斷供電電路，以滿足自身的需要。 　　一旦中斷條件成立，系統(tǒng)開始進入調(diào)整子程序執(zhí)行，調(diào)整子程序首先會檢測上一次記錄的水平方位角α和垂直方位角β，然后根據(jù)檢測到的P1.0和P1.7的信號進行水平和垂直方位角的調(diào)整。調(diào)整過程主要是通過控制雙軸機械跟蹤定位系統(tǒng)的A、B2個電機完成，調(diào)整結(jié)束返回系統(tǒng)主程序。 　　太陽能自動跟蹤系統(tǒng)無需另外輸入能量，能自動檢測晝夜，具有成本低、精度高、使用靈活等特點。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高了太陽能的利用效率。 　　3　太陽能發(fā)電系統(tǒng)在城市園林中的應(yīng)用 　　該裝置具備實用價值，特別適用于城市園林設(shè)施和交通照明。城市園林特別是公共綠地，是城市居民活動的主要場所，其中裝置有大量公共服務(wù)設(shè)施，所以成為耗能大戶。而園林綠地占地寬廣，若鋪設(shè)電線給園中設(shè)施供電，則線纜將有礙景觀，同時加重了日常維護的負擔(dān)。將太陽能發(fā)電系統(tǒng)用于園林綠地中的公共設(shè)施供電，既免除了到處架鋪電線電纜所帶來的許多煩惱和弊端，又便于日常養(yǎng)護、降低維修成本。 　　園林綠地中的太陽能發(fā)電設(shè)施一般用于夜間照明和溫室供電，其中溫室及暖棚供電時可采用逆受器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖3。 　　通過對太陽跟蹤裝置進行的6個多月的環(huán)境壽命和性能試驗，結(jié)合新鄉(xiāng)市新星科技有限公司測試結(jié)果，發(fā)現(xiàn)與一般太陽能電池相比，該太陽跟蹤裝置可提高太陽能利用率的20%。其在新鄉(xiāng)市某小區(qū)試用效果良好。(張寶劍，高國紅　河南科技學(xué)院信息工程學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003)