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(jī)的自給動(dòng)力的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。該方法利用硅光電池散片作為傳感器，通過單片機(jī)控制機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，根據(jù)太陽光方向自動(dòng)調(diào)整太陽能電池板方向，自動(dòng)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(qiáng)度隨時(shí)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(dòng)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(dòng)力的太陽自動(dòng)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(jì)思想，進(jìn)行了應(yīng)用模擬試驗(yàn)。 　　1　系統(tǒng)的構(gòu)成與工作原理 　　自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)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(dòng)跟隨太陽相對運(yùn)動(dòng)的方向按間歇方式分段轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dòng)啟動(dòng)，帶動(dòng)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(dòng)，控制電路自動(dòng)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(dòng)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(jià)。跟蹤系統(tǒng)基本組成見圖1。 　　太陽能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要分為機(jī)械部分和太陽自動(dòng)跟蹤控制電路部分。機(jī)械部分主要由硅光電池傳感檢測電路、雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)和蓄電池構(gòu)成；太陽自動(dòng)跟蹤控制電路主要由傳感信號處理電路、單片機(jī)電路、驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。整個(gè)裝置達(dá)到以下目標(biāo)：①工作安全可靠，保證電池板在設(shè)計(jì)跟蹤時(shí)間內(nèi)都能正對太陽；②夜間自動(dòng)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(dòng)機(jī)構(gòu)失效時(shí)，使電池板停止工作運(yùn)轉(zhuǎn)，防止損壞機(jī)構(gòu)；④采用硅光電池和蓄電池配合自給動(dòng)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(dòng)電路控制機(jī)械部分。 　　機(jī)械部分采用雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)，主要由電池板支架、底座、兩轉(zhuǎn)動(dòng)軸和直流水平驅(qū)動(dòng)電機(jī)構(gòu)成，整個(gè)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(jì)成雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)，可以同時(shí)在水平方位角和垂直高度角2個(gè)方向上跟蹤。在驅(qū)動(dòng)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(jī)控制系統(tǒng)，帶動(dòng)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(jī)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(diǎn)。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(jī)械機(jī)構(gòu)跟蹤太陽移動(dòng)，機(jī)械機(jī)構(gòu)動(dòng)力由直流電動(dòng)機(jī)提供，并且可以根據(jù)太陽能電池功率調(diào)整裝置的機(jī)械外形和尺寸，實(shí)現(xiàn)對不同面積太陽能板的控制。 　　控制電路部分設(shè)計(jì)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(shí)，同組內(nèi)的硅光電池散片接受光照的強(qiáng)弱不同，這種不同會(huì)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(qiáng)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(jī)89C2051，單片機(jī)控制電路依據(jù)輸入的信號，運(yùn)行程序控制2個(gè)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向:一個(gè)控制水平面內(nèi)的左右方向轉(zhuǎn)動(dòng)；一個(gè)控制垂直面內(nèi)的上下方向轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)間可根據(jù)要求任意調(diào)整。該設(shè)計(jì)采用間歇時(shí)間為0.5h，采用定時(shí)檢測傳感器信號，控制雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)單片機(jī)絕大部分處于休眠狀態(tài)，此時(shí)的功耗為正常工作時(shí)的15%。 　　2　軟件設(shè)計(jì) 　　自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)開始工作后，系統(tǒng)程序開始計(jì)時(shí)，定時(shí)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(jìn)入調(diào)整子程序，調(diào)整電池板角度。為了滿足全自動(dòng)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(dòng)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(bào)，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(jìn)入調(diào)整子程序執(zhí)行，調(diào)整子程序首先會(huì)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(jìn)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(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)的A、B2個(gè)電機(jī)完成，調(diào)整結(jié)束返回系統(tǒng)主程序。 　　太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)無需另外輸入能量，能自動(dòng)檢測晝夜，具有成本低、精度高、使用靈活等特點(diǎn)。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(shí)用價(jià)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(dòng)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(shí)加重了日常維護(hù)的負(fù)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(hù)、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(shí)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(jìn)行的6個(gè)多月的環(huán)境壽命和性能試驗(yàn)，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)