一种新型的太阳能自动跟踪装置

研制了跟踪传感器 ,设计了系统的信号处理及控制电路 ,阐述了系统控制的软件实现原理 。该装置能使太阳能电池板在晴天
始终保持与太阳光垂直 ,在夜晚 、阴天或太阳光辐照度低于工作照度时自动关机 ,其转换效率高 、成本低 。对比朝南 35o 固定
安装的太阳能电池板和采用了太阳能自动跟踪装置的太阳能电池板在相同条件下对太阳能的接受率 ,实验结果表明 ,采用太
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电 子 器 件
调整机构实现相应的方向调整 ,以实现对太阳的自 动跟踪 。
第 31 卷
图 3 太阳能自动跟踪装置的控制电路图
选用两相双极性步进电机 ,由 L297 和 L298 组
成步进电机的驱动电路 ,L297 是步进电机控制器 ,
L298 是双 H 桥式驱动器 ,选用这种驱动方式的优
图 1 太阳能自动跟踪装置组成框图
1. 1 传感器的结构及工作原理 图 2 是传感器的结构图 :设置一个圆筒形的
外壳 ,在圆 筒 外 部 东 、南 、西 、北 四 个 方 向 上 分 别 布置 4 个光电二极管 ,其中光电二极 管 P1 、P3 东 西对称安装在圆筒的外侧 ,用来粗略的检测太阳 由东向西运动的偏转角度即方位角 ;另一对光电 二极管 P2 、P4 南北对称安装在圆筒的外侧 ,用来 粗略检测太阳的南北方向的偏转角度即高度角 。 在圆筒内部 ,把放置光电池的平面分成 5 部分 , 中间为一个小圆 ,将大圆与小圆之间的圆环分成 四个象限 I、II、III、IV 。小圆为第 V 象限 ,并且使 5 个象限的面积相等 。I、II、III、IV 象限为跟踪定 位象限 ,用于产生方位角和高度角的跟踪控制信 号 ,V 象限为太阳照度探测象限 。将五片面积相 等 ,性能 、参 数 相 同 的 光 电 池 安 装 在 所 设 计 的 5 个象限内 ,当太阳光照射到光电池上时 ,必然产 生光电流 。在 光 电 池 正 上 方 放 置 一 个 焦 距 可 调 的光学系统 ,当光线经过光学系统照到光电池上 时 ,调节该光学系统 ,使光斑正好完全覆盖 5 片 光电池 ,为避免光电池饱和 ,在光学系统的焦平 面附近加一遮光片以减弱光强 。
收稿日期 :2008201203 基金项目 :重庆市自然科学基金资助 (8597) 国家大学生创新资助项目资助 (CQVCX2G22007231) 作者简介 :李 敏 ,女 ,讲师 ,硕士研究生 ,研究方向为仪器科学与技术 ,光电传感与测控技术 ,limin780815 @163. com ;
刘京诚 ,男 ,博士 ,教授 ,研究方向为机器人技术 、传感器技术 。
一种新型的太阳能自动跟踪装置 3
李 敏1 ,刘京诚2 3 ,刘 俊2 ,任松林2 ,王福权2
1. 四川理工学院机电工程系 ,四川 自贡 643033 ; 2. 光电技术及系统教育部重点实验室 ,重庆大学光电工程学院 ,重庆 400044
摘 要 :为了提高太阳能电池的转换效率 ,设计了一种以单片机为核心的太阳能自动跟踪装置 ,分析了传感器的工作原理 ,
1. Dep art ment of Mechanical2Elect rolic En gi neeri n g , S ichuan Uni versit y of Technolog y & Engi neeri n g , Zi gon g S ichuan 643000 , Chi na; 2. M i nist ry of Education Key O ptoelect ronic Technolog y & S ystem L ab , I nstit ute of O pto2elect ric En gi neeri ng , Chongqi n g Uni versit y ,
步进电机驱动电路 ,高度角方向的步进电机驱动电 路与此类似 。
1. 3 方位角及高度角调整机构 图 4 是太阳能自动跟踪装置的结构示意图 。调
整机构由步进电机和传动装置组成 ,可以使电池板 在水平方向上的 0o ～ 360o 和 垂直 方向 上的 0o ～ 180o 之间自由旋转 。
(1) 方位角调整机构 方位角调整机构由方位角调整步进电机 4 、传 动齿轮 5 、支承圆筒 6 、水平方向的转动轴 3 和固定 圆筒 2 组成 。当单片机发出的东西方向的跟踪控制 信号驱动方位角调整步进电机时 ,方位角调整步进 电机带动传动齿轮转动 ,同时水平方向的转动轴和
第 31 卷 第 5 期 2008 年 10 月
电子器件
Chinese J our nal Of Elect ron Devices
Vol . 31 No. 5 Oct . 2008
A Novel Sun Autotracker 3
L I M i n1 , L I U J i n g2chen g2 3 , L I U J un2 , R E N S on g2l i n2 , W A N G Fu2quan
太阳能自动跟踪装置的信号处理与控制电路如 图 3 所示 ,电路主要由以下几部分组成 :运算放大器 L F356 、A/ D 转 换 芯 片 AD574[4] 、锁 存 器 74L S373[4 ] 、微处理器 A T89C52[4 ] 、光 电隔 离芯 片 TL P512 、步进电机驱动芯片 L297 、L298 。从 9 个传 感器输出的信号经过预处理后 ,分别得到信号 U1 、 U2 、U3 、U4 、U5 、U P1 、U P2 、U P3 、U P4 ,U1 、U3 经过运算 放大器后得到东西方向的跟踪控制信号 U X ; U2 、U4 经过运算放大器后得到南北方向的跟踪控制信号 U Y ; U P1 、U P3 经过运算放大器后得到东西方向的粗 略跟踪控制信号 U PX ; U P2 、U P4 经过运算放大器后得 到南北方向的粗略跟踪控制信号 U PY ; U0 为预先设 定的工作电压阈值 ,经过运算放大器后得到是否需 要跟踪的控制信号 U Z 。放大后的 5 路信号送入到 AD574 中 ,把模拟信号转换成数字信号 ,然后再送 入微处理器 A T89C52 中 ,在 A T89C52 中 ,先判断 各路信号的值 ,然后由软件产生相应的信号去控制
第5期
李 敏 ,刘京诚等 :一种新型的太阳能自动跟踪装置
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大的转换效率 ,具有跟踪精度高 、少维护等优点 , 具有很好的实用价值 。
Biblioteka Baidu
1 太阳能自动跟踪装置的硬件组成
图 1 是本太阳能自动跟踪装置的原理框图 ,太 阳能自动跟踪装置设计成双轴跟踪系统 ,同时在方 位角和高度角两个方向上跟踪 ,由传感器 、信号处理 及控制电路 、方位角及高度角调整机构组成 。传感 器把接收到的光信号转换成电信号 ,电信号经过信 号处理及控制电路后 ,由控制电路输出相应的控制 信号驱动方位角调整机构和高度角调整机构实现相 应的位置调整 。
Chon gqi n g 400044 , Chi na
Abstract :A novel sun autot racker wit h t he core of singlechip is designed to imp rove co nversio n efficiency of t he solar panel. The p rinciple of senso r of t he device , how to achieve p rocessing and co nt rolling circuit and t he software flow are int roduced in t his paper. The sun autot racker can make solar panel always vertical to t he sun at sunny day , and it can t urn off it self at night , at clo udy day or when t he solar radiatio n is lower t han t he work lighting. The device is high co nversio n efficiency , low co st . The experiment indicates t hat co mpared t he device t hat t he solar panel is fixed wit h t he degree of 35 , t he sun autot racker received radia2 tio n efficiency can imp rove by 41 . 40 % in a day under t he same co nditio n. Key words :sun energy ;t racking ; singlechip ; solar radiatio n measure EEACC :8420
关键是提高太阳能电池的转换效率 ,目前一般情 况下仍是采用太阳能电池板固定朝南安装的方 式对太阳能进行采集[2] ,也有利用太阳的运动规 律采用定时的方法对太阳进行跟踪[3] ,但这些方 法均没有充分利用太阳能资源 ,转换效率较低 , 成本高 。作者所设计的太阳能自动跟踪装置 ,能 使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直 ,保持最
该装置可以对太阳方位角和高度角进行双轴跟 踪 ,对于方位角跟踪而言 ,当太阳光与电池板垂直的 方向照射到传感器上时 , P1 、P3 接受到的光照度相 同 ,I、III 象限接受到的光照度也相同 ,运算放大器
图 2 传感器结构图
输出为零 ;当太阳光偏离电池板垂直方向一个小角 度时 ,P1 、P3 可能受到环境的影响 ,不会反映出太阳 光线的变化 ;而由于光电池 I 和光电池 III 产生的光 电流不一样 ,运算放大器就会输出差值信号 ,该差值 信号送入控制单元 ,控制太阳能自动跟踪装置调整 太阳能电池板的角度 ,直到太阳能电池板与太阳光 垂直为止 。而当太阳光偏离一个较大角度时 ,筒内 的传感器可能接受不到太阳光 ,而筒外的光电二极 管 P1 、P3 能反映出照度差值 ,该信号经运算放大器 后送入控制单元 ,控制太阳能自动跟踪装置调整太 阳能电池板的角度 ,当达到太阳光偏离电池板垂直 方向一个小角度时 ,系统自动切换到光电池 I 和 III 进行探测跟踪 。高度角跟踪原理与方位角跟踪原理 类似 。光电池 V 作为照度传感器来检测太阳的辐 射照度 ,当 I 和 III , II 和 IV ,P1 和 P3 , P2 和 P4 之间 均无差值信号输出时 ,根据对设定阈值的工作照度 与 V 输出信号的比较结果由单片机输出关机或开 机信号 。 1. 2 信号处理及控制电路
阳能自动跟踪装的太阳能电池板的接受率提高了约 41. 40 %。
关键词 :太阳能 ;跟踪 ;单片机 ;太阳辐射测量
中图分类号 :TK513. 4
文献标识码 :A 文章编号 :100529490( 2008) 0521700204
能源 短 缺 问 题 是 目 前 许 多 国 家 面 临 的 最 重 要的问题 ,太阳能作为一种清洁无污染的能源 , 有着巨大 的 开 发 前 景 。我 国 的 太 阳 能 资 源 比 较 丰富 ,从其分布来看 ,西部地区的太阳能年辐射 总量均在 5 400 MJ / ( m2 . a) 以上 ,西藏地区更是 达到了 6 700 MJ / ( m2 . a) [ 1 ] , 开 发 太 阳 能 对 于 西 部的发展 有 着 重 要 的 现 实 意 义 。利 用 太 阳 能 的
点在于 :需要的元件很少 ,从而使得成本降低 ,可靠
性提高 。在单片机与电机驱动芯片之间要加光电隔
离芯片 TL P512 ,因为步进电机驱动电路工作在放
大的脉冲电流状态下 ,用光电隔离芯片将步进电机
的驱动电路隔离起来 ,不仅可以避免单片机与步进
电机功率回路的共地干扰 ,而且在驱动电路发生故 障的情况下 ,不至于让功放部分较高的电压串入单 片机而损坏单片机 。电路图中只画了方位角方向的