基于垂直双轴结构太阳能光电跟踪系统研究

Research on the Optical Tracking System of Solar Energy Based on the Vertical Biaxial Structure
Han Yulong, Yu Zhengqiang, Zhao Anpu, Fang Zhou, Wu XHale Waihona Puke Baidufeng
参考文献 :
[ 1] 沈文 , LEE E, 詹卫前 AVR 单片机 C 语言开 发入门指导 [ M] 北京 : 清华大学出版社 , 2009: 299- 307. 主动式双轴太阳跟踪控制器 [ 2] 刘四洋 , 伍春生 , 彭燕昌
作者简介 :
韩宇龙 ( 1988 ) , 男 , 石家 庄人 , 专 长单 片 机、 DSP 应用以及数学建模领域 , 曾获得国际 大 学生数学建模竞赛 MCM 一等奖 , 目前正在负 责 一项大学生国家 创新项目 ! 石 墨烯的 金属掺 杂 与热稳定 性 研究 ∀, 参 与共 同完 成省 级 大学 生 SRTP 项目! 太阳能电池光电跟 踪系统∀ 、 东南 大 学 SRTP 项目! 基于 GSM 的无线水表∀ ; 於正强 ( 1988 ) , 男 , 江苏淮安人 , 专长 AVR 编程、 建模 , 曾获 得 国际大学生数学建 模竞 赛 ICM 一等 奖 , 参 与共 同完 成省 级 大学 生 SRTP 项目! 太阳能电池光电跟踪系统∀ 、 负责完成东南大学电子学 院 SRTP 项目! 节能路灯管理系统∀ ;
N ovember 2010
。光电池的实质是 具有较 大面积的 pn 结,
当光照射在其表面时, 在结的两端将出现电动势。 四象限电池板的横纵平分线需要用不透明材料加以 隔离, 保证平行光源斜向投射时产生投影 , 从而四 象限获得能量存在差值。即使是 4 块相同型号的太 阳电池 , 其具体参数也略有差别 , 所以 4 块太阳电 池的 输出 应分 别 串入 4 个 同 型 号电 位 器 ( 对 于 2DU10 系列, 可以选择 503 的电位器 ) , 正对平行 光源将其校准至等值。试验中测得正午日光条件下
Fig 5 图 5 主程序流程示意图 Schematic diagram of the main program
高出 30% 以上, 显著提高了太阳能利用率。可见本太 阳能光电跟踪系统具有较高的实用价值。
2010 年 11 月
1124 半导体技术第 35 卷第 11 期
韩宇龙
等 : 基于垂直双轴结构太阳能光电 跟踪系统研究
2
2 1
程序设计流程和跟踪算法
程序设计流程 程序设 计如下 , AT mega16L 单片 机在四象 限
太阳电池转换输出电压均小于阈值 1 时便进入低功 耗模式。只要有任一象限电压超过阈值 1, 通过电 压比较器边沿触发中断唤醒单片机进入正常模式。 在正常模式工作状态下, 只有四象限转换电压两两 间最大差值超过阈值 2, 才会驱动执行子系统进入 跟踪算法; 否则微控制器保持静止以减小功耗[ 4] 。 主程序流程示意图如图 5 所示。
[ 1]
图 3 垂直双轴 结构设计 Fig 3 Structure of the vertical biaxial
1 13
反馈子系统
。因此, 选用 AT mega16L
反馈子系统是完成闭环控制的关键, 主要负责 将四象限的太阳电池的输出信号送交微控制器进行 处理和比 较。结构主要包括 2DU10 系 列硅光电池 和放大电路设计。 光电池基于光生伏特效应制成, 是发电式有源 元件
统, 两者由控制核心 Atmel 的 AT mega16L 单片机统 筹管理。其中, 执行子系统具体涉及 42H4630 步进 电机和驱动电路 ; 反 馈子系统包含 2DU10 系 列硅 光电池和放大电路。系统结构图如图 1 所示。
图 2 驱动电 路设计 Fig 2 Design of the driving circuit
Semiconductor Technology Vol 35 No 11
1123
韩宇龙
等 : 基于垂直双轴结构太阳能光电跟踪系统研究
输出为 0 35~ 0 55 V 。若通入单片机内置 AD 处理 电压信号需要放大。放大电路设计如图 4 所示。
在主程序流程图中 , 微控制器工作模式被分离 隔开。其中负责完成跟踪行为的核心部分是跟踪算 法 , 它的合理性将直接决定跟踪效率和机械能耗。 2 2 跟踪算法 为了便于描述 , 把光电池分为 4 个象限 : 象限 A 、象限 B 、象限 C 与象限 D[ 5] 。四象限具体位置 参看图 3。其中 AB 与 CD 两 组用 于比 较方位 角, AC 与 BD 两组用于比较高度角。在调整前首先要 找出受 光面积比 较大的那 一组 ( 假设 为 AB 组 ) , 然后比 较这一组 2 个象限的电压值 , 如果 A 与 B 的电压差值大于阈值, 调整方位角电机 , 再比较 A 与 B 的 值, 直 到两个 电压的 差值 小于 阈值为 止。 当 A 与 B 的电压差值小于阈值时 , C 与 D 的电压 差值也一定是小于阈值的。这样在经过方位角的调
( College o f Electronic Engineering , Southeast University , N anjing 211100, China)
Abstract: Considering the lack of the utilizat ion of the solar energy in our country, a new opt ical tracking system based on the vertical biaxial machine was introduced In this system, the 42H4630 step motor can rotate horizontally and be vertically controlled through the low power MCU AT mega16L and the four quadrant light intensity sensor composed of the 2DU10 silicon optical batteries The normal direction of the four quadrant light intensity sensor was forced to point at the sun accurately to gain the most solar energy At the same time, the computer monitored the voltage through the serial ports, which was convenient for the control center to note and supervise The system could distinguish nights, rainy days and the situation that the light is not strong enough to compensate for energy lost and swit ch into the low power mode to realize the function of the optical tracking automat ically, exactly and efficiently Key words: vertical biaxial; four quadrant light intensity sensor; MCU AT mega16L; 42H4630 step motor; highly efficient EEACC: 8420 的主流太阳能光电跟踪方案中, 无法解决跟踪范围 有限以及提高精度与扩大跟踪范围的矛盾。 本文提出一种新型太阳能光电跟踪系统, 其机 械运动部分采用双步进电机独立驱动的双轴结构, 实现对太阳位置的有效精确跟踪 , 并且将理论跟踪 范围扩展到整个空间。系统高效、自动、可靠而能 耗小, 无需人力监督控制。
图 6 跟踪算 法过程 Fig 6 Tracking algorithm process
3
结论
采用垂直双轴机械结构, 配合 2DU10 系列硅光电
池、AT mega16L 单片机等, 实现自动跟踪、电压监 控。软件设计采用闭环系统、低功耗设计, 保证了系 统的稳定、精确与节能。实验结果表明, 在跟踪情况 下, 平均每天电池的太阳能采集效率比非跟踪状态下
[ 3]
作为核心控制器 , 能够轻松而简捷地处理四象限硅 光电池的输出信号, 进而控制步进电机跟踪动作。 1 1 2 执行子系统 执行子系统负责调控四象限太阳电池板的法线 方向 , 结构包括步进电机和驱动电路。 步进电机选取 42H4630, 这款步进电机的步进 角度是 1 8 。如果通过 L297 和 L298 搭建步进电机 驱动电路, 以及 AD 电路进行转换, 则理论上可以 将步进角度进行 256 细分。本文提供一种步进电机 驱动电路设计方法, 如图 2 所示。两部步进电机采 用垂直双轴结构 , 即分别负责环绕纵向轴在水平面 内的平动和环绕横向轴的转动。两种运动的合成必 然可以将四象限太阳电池板的法向调整至正对光
图 1 太阳能光 电跟踪系统结构 Fig 1 Structure of the optical tracking system for solar energy
1 1 1 微控制器 AT mega16L Atmel 的 AT mega16L 是一款物美价廉的中低档 单片机 , 内嵌高性能、低功耗的 8 位 AVR 微处理 器, 采用先进的 RISC 结构。芯片内部具有16 KB 的 系统 内可 编程 FLASH, 擦 写 次数 超过 10 000 次。 尤其片内外设 8 路 10 位 ADC, 可以方便的处理来 自外部的模拟输入信号
韩宇龙
等 : 基于垂直双轴结构太阳能光电 跟踪系统研究
1
1 1
系统结构设计及功能
系统结构 该系统从宏观层面包括执行子系统和反馈子系
源 , 从而获得最大的光照能量[ 2] 。其垂直双轴的机 械结构如图 3 所示。执行子系统执行光源跟踪的前 提是此时吸收的光照能量必须超过一定阈值, 否则 将不能保证调整后吸收的总能量与机械转动耗能之 差值大于不调整的情形所吸收的总能量。在此前提 下 , 太阳能吸收效率将达到峰值。而反馈子系统的 目的正是为了构造闭环控制以保证这个前提。
集成电路设计与开发 Design and Development of IC doi: 10 3969/ j issn 1003- 353x 2010 11 018
基于垂直双轴结构太阳能光电跟踪系统研究
韩宇龙, 於正强, 赵安璞, 方舟, 吴旭峰
( 东南大学 电子科学与工程学院, 南京 211100 ) 摘要: 针对当前我国太阳能利用率的不足, 提出了一种基于垂直双轴机械结构的太阳能光电 跟踪系统, 它利用 2DU10 系列硅光电池组成四象限光强传感器 , 通过低功耗单片机 AT mega16L 智能控制横向纵向步进电机 42H4630 转动 , 使四象限光强传感器法线方向始终正对太阳位置以接 收最大太阳能。 同时串口监控四象限电压输出, 便于控制中心记录管理。 该系统能够智能识别黑 夜、阴雨天等阳光不充分的情形进入低功耗模式, 避免吸收光能小于机动耗能 。实现自动 、精 确、 高效地太阳能光电跟踪。 关键词 : 垂直双轴; 四象限光强传感器 ; AT mega16L 单片机; 步进电机 42H4630; 高效 中图分类号 : TN51 文献标识码: A 文章编号 : 1003- 353X ( 2010) 11- 1122- 04
Fig 4
图 4 放大电路设计 Design of the amplify circuit
整之后, 两组用于比较高度角的光电池 AC 和 BD 均处于同样的状态下。然后任选 AC 与 BD 任意一 组来比较 ( 选 AC) 电压 , 如果电压差值大于阈值, 调整高度角电机 , 再比较 A 与 C 的值 , 直到两个电 压的差值小于阈值为止。过程如图 6 所示。经过实 际测试 , 证实这种跟踪算法比较高效。
2010 年 11 月
0
引言
近年来能源短缺问题成为世界各国必须面临的
世界性难题 , 新能源开发是目前的一个研究热点 , 太阳能的开发和使用是其重要方向 , 而太阳能光电 跟踪可以有效提高太阳能利用率。当前 , 我国现有
基金项目 : 江苏省大学生 SRTP 项目 ( S200911)
1122 半导体技术第 35 卷第 11 期