用四象限硅光电池和单片机实现太阳跟踪-solarbe文库

资源描述：

1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.netΞ 收稿日期 2008 - 11 - 10作者简介吴静 1976 ,女 ,四川人 ,硕士 ,讲师 ,主要从事光机电一体化研究 .用四象限硅光电池和单片机实现太阳跟踪Ξ吴静 1 ,杨懿 2 ,潘英俊 21. 重庆市工业学校 ,重庆 400043 ; 2. 重庆大学 ,重庆 400030摘要描述了一种跟踪控制的实现方法 . 核心部件单片机通过预先计算的太阳位置进行跟踪 ,并通过四象限硅光电池校正位置量可能出现的误差 .该系统与模拟系统相比仅增加了少量的低成本集成电路 ,具有精确度高、适应性好等特点 .关键词太阳跟踪 ;单片机 ;四象限硅光电池中图分类号 TP275 文献标识码 A 文章编号 1006 - 0707 2009 01 - 0101 - 02随着科学技术的飞速发展 ,人们对能源的需求也在不断增长 . 太阳能作为一种 “清洁能源” , 取之不尽 ,用之不竭 ,是具有开发潜能的能源 . 在太阳能发电或其他方式利用太阳能的太阳跟踪 ,指的是在太阳照射过程中受光面跟太阳光线始终趋于垂直 ,以在有限的使用面积内收集更多的太阳能 . 除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄电池充放电效应外 ,太阳跟踪是太阳光伏发电系统中另一种提高转换效率的有效手段 . 一般来说 ,为了提高太阳跟踪精度 ,跟踪系统的控制形式主要还是采用光电系统 . 光电系统又有模拟和数字控制之分 ,模拟系统是利用光电传感器来实现对太阳的跟踪 ,传感器自动跟踪系统是通过光敏元件的输出 ,判断太阳能板轴线是否正对太阳 . 通过太阳能板轴线与理想位置的偏差调整驱动装置的运动状态 ,从而调整太阳能板位置使轴线指向太阳 . 传感器跟踪存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点 . 特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点 ,电机往复运行 ,造成了能源的浪费和部件的额外磨损 .数字系统 ,通常指采用程序控制 . 一般被认为具有较高的精度和较好的适应性 . 它是通过数学上对太阳轨迹的预测完成对太阳的跟踪 . 理论上可以精确地跟踪太阳运行轨迹 . 但程序跟踪存在许多局限性 ,主要是在开始运行前需要精确定位 ,出现误差后不能自动调整等 . 因此使用程序跟踪方法时 ,需要定期的人为调整太阳能板的方向 ,使其轴线正对太阳 . 传感器控制和数字控制相结合 ,可以取得较满意的效果 , 通过计算太阳运行的轨迹完成太阳跟踪 ,由传感器来进行误差的校正 . 但其采用计算机控制 ,价格昂贵 . 如果适当地对系统的计算对象进行简化 ,就可以用成本较低的单片机代替昂贵的可编程控制器或者微型机实现数字化的跟踪控制系统 . 从而大大降低系统的成本 ,同时保留数字系统特有的灵活性和精确度 .1 系统描述本文中所述光电控制采用了程序跟踪和传感器跟踪相结合的控制方式 ,即采用程序控制 ,利用光学传感器对太阳能板做自动定位和误差校正 ,而通过单片机控制步进电机来实现 . 方案系统见图 1.图 1 方案系统系统由 6 个部分组成 ,分别是时钟、单片机、驱动机构、编码器、太阳能板和传感器 . 系统的核心部件是传感器和单片机 . 单片机利用时钟提供的日期和时间 ,计算出太阳能板的预期位置 ,与编码器提供的当前位置比较 ,输出控制信号 . 驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点 ,进行跟踪 . 传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正 .太阳跟踪传感器是本系统的关键部件 . 为了保证太阳能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不发生偏离 . 采用特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感器 . 如图 2 所示 .四象限硅光电池呈圆形结构 ,4 块硅光电池组成 . 令四象限硅光电池的分界线与直角坐标轴重合 ,每个象限即为一块光电池 . 假设目标经光学系统在四象限硅光电池上成第 30 卷第 1 期四川兵工学报 2009年 1 月 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net一圆斑状的象且光斑均匀 ,设其中心坐标为 x , y . 当光轴对准太阳时 ,圆斑的中心在光轴上 . 四个象限接收到相同的光功率 ,输出相同的电压信号 . 当光轴未对准太阳时即太阳光与光轴成一角度 θ 时 ,光线经光学系统照射到四象限光电池上形成的光斑必然发生偏移即 x ≠ 0 , y ≠ 0 . 由于各象限的光功率与各象限的光斑面积成正比 ,每个象限被光斑覆盖的面积不同 ,因此各象限光电池产生的电压不尽相同 .根据上述将 Vx 、 Vy 进行模数转换 ,然后送入单片机 . 单片机通过驱动设备可控制俯仰角电机和方位角电机转动 ,直到Vx Vy 0 ,即 x 0 , y 0 ,则表明系统光轴已经对准太阳 ,根据以上原理即可对太阳跟踪进行校正 .图 2 太阳跟踪传感器工作原理判断光强信号传感器由 2 块光电池组成 ,一块接受太阳辐射 ,另外一块受光面背光 . 如图 3 所示 ,前一块光电池的作用是判断太阳直射辐射的强度 ,在直射辐射较弱时不启动跟踪程序 ,从而避免多云天气的盲目跟踪 . 后一块光电池的作用是当长时间阴天或多云转晴后太阳重新出现时 ,判断太阳直射辐射的强度 ,来决定是否启动跟踪程序 .图 3 判断光强信号传感器2 控制和校正系统太阳在一定纬度、日期、时间的位置值都可以根据公式计算出来 . 为了使太阳能板在转动中能够随时间变化始终和计算得出的位置一致 ,必须有电动机带动太阳能板转动 ,并通过控制系统使电动机输出的位置量与给定值相同 . 控制系统可以是开环系统或闭环系统 . 开环系统在系统出现误差后无法自行校正 ,所以系统应当采用闭环控制 .给定值根据太阳运行规律由当地的日期和时间计算 .控制对象是电动机 ,被调量是电动机输出的位置量 ,利用光学编码器实现负反馈 .图 4 原始控制系统其中电动机执行机构的传递函数可表示为G2 s k2s Tes 11放大器的传递函数为 G1 s k1 , 光学编码器的传递函数为 H s 1 ,则系统的开环传递函数为G s G1 s G2 s Ks Tes 1 2闭环传递函数为Y sX s G s1 G s H s Ks Tes 1 Ks Tes 1 K 3式中 K k1 k2 .1 稳定性 . 上述闭环系统 3 的特征方程为Tes2 s K 0根据劳斯一胡尔维茨稳定性判据 ,二阶系统的稳定条件是特征方程的系数全部为正值 ,即 Te , K 0 ,条件天然满足 . 但对于本文中讨论的数字控制系统 ,应当考虑采样周期的选择 . 采样周期可能影响系统的稳定性 ,一方面 ,采样周期应尽可能地短 ,以求系统响应速度快、稳定性好 ;另一方面 ,采样周期愈短 ,控制计算机的负担愈大 . 为抑制干扰作用 ,选择采样周期的法则是 ,采样速率应为闭环系统通频带的 10 倍 . 本文中选用的 89C51 单片机的定时器 1 溢出周期小于 0. 1 s ,以其作为采样周期非常方便 . 因此 ,闭环系统的无阻尼自然频率应等于 1 s - 1 ,由于跟踪机构的快速性要求很低 ,这样的设计是合理的 .因此应当有 K/ Te ≤ 12 稳态误差 . 系统的误差传递函数为Φ e s 11 G s s Tes 1s Tes 1 K4由开环传递函数 2 可以看出系统为 I 型系统 ,因此当输入为阶跃函数时为无静差系统 ,加速度输入时 , 误差趋于无穷 ,当输入为斜坡输入时 ess lims→0s 11 G s 1s2 1K 5为满足稳定条件 KTe≤ 1 , 根据式 5 , 有系统的稳态误差 ess ≥ 1Te由于所论系统的输入量是太阳能板位置 ,而太阳跟踪系统的方位角俯仰角跟踪地平坐标系统的位置量基本上是斜坡输入 ,因此不希望系统在斜坡输入时存在稳态误差 . 而且原始系统的稳态误差最小值还受到传动机构参数的制约 . 另外 , 当 K 值较大时 , 闭环系统的阻尼比过小 ,导致系统的瞬态响应差 .为了改善系统响应 ,把放大器改为 PID 环节 . PID 控制也称为比例一积分一微分控制 . 其中的比下转第 104 页 201 四川兵工学报 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http//www.cnki.net在置信度为 1 - α 的可靠度单侧置信下限为 RL tR t e- λ Ut e-tθ L 8式 8 中 λ U 为相同置信度的故障率单侧置信的上限 ;θ L 为相同置信度下 θ 的单侧置信下限 .1. 4 可靠寿命和中位寿命当可靠度为规定值 R0 时 ,所对应的工作时间 t R 为可靠寿命 ,其点估计为 tRtR - θ ln R0 9式 9 中 θ 为 θ 的点估计 ,其计算公式见式 3 .可靠度规定值 R0 0. 5 时的可靠寿命为中位寿命t0 . 5 ,其点估计为 t0 .5t0. 5 0. 6931θ 10置信度为 1 - α 的可靠寿命和中位寿命置信限可由指数分布参数的置信限求出 ,可靠寿命的单侧置信下限为 t RLt RL - θ L ln R0 11式 11 中 θ L 为相同置信度下 θ 的单侧置信下限 . 中位寿命t0 . 5单侧置信下限为 t0. 5 Lt0. 5L 0. 693 1θ 12其双侧置信区间由分布参数 θ 的双侧区间估计计算获得 0. 693 1θ dL ,0.693 1θ dU 132 结束语随着无线电导航的迅速发展 ,系统设备的复杂性与日俱增 ,因此提高系统工作的可靠性具有重要意义 . 在考虑系统工作可靠性时 ,应该争取考虑以下几个方面 1 选用合适的波长 ,保证电波传播的可靠性 .2 选用可靠的电路 ,使系统能在电子器件和其它元件的参量变化较大范围内稳定地工作 . 避免采用多功能线路和要求电源电压稳定性很高的线路 . 力求采用简单的标准化线路 ,使广大使用者易于了解其工作原理 ,通过手册说明书的指导 ,能够维护和调整设备 ,确定故障位置 . 若有必要的话 ,应能自己修理 .3 选用可靠性很强的元件 ,如晶体管、集成电路、磁性元件以及高质量的普通元件等 .4 选用防震、防潮、防霉设备 ,使用坚固的支架、不易松脱的元件、采用铸件以及使用保护涂层等 ,经常检查紧固情况 .为了进一步提高可靠性 ,主要元件、整个单元甚至整个设备都采用双份件 .参考文献 [1 ] 杨晓东 . 舰用光电设备质量评估 [M]. 北京海潮出版社 ,2002.[2 ] 王志贤 . 最优状态估计与系统辨识 [M]. 西安西北工业大学出版社 ,2003.[3 ] 洪德本 . 无线电导航仪器 [M]. 大连大连海事大学出版社 ,1995.[4 ] 于寅 . 高等工程数学 [M]. 3 版 .武汉华中科技大学出版社 ,2001.上接第 102 页例项用于纠正偏差 ;积分项用于消除系统的稳态误差 ;微分项用于减小系统的超调量 ,增加系统的稳定性 .对于前面所说的跟踪系统 ,如果位置反馈出现误差 ,则由于增量式算法 ,测量的位置误差将无法得到校正 . 用传感器校正太阳能板位置的方法是规定一个死区 ,当误差信号在死区范围内时 ,控制系统不作任何响应 ;当误差信号超出死区范围时 ,启动校正程序 . 设置足够小的死区就可以保证跟踪的精度 . 由于传感器输出值存在扰动 ,死区的大小应当兼顾系统的稳定性 ,过小的死区可能造成校正程序的频繁启动 . 当校正系统使光电传感器误差趋于零时 ,可以重新切换回正常运行状态 ,同时把传感器误差值转化为位置值 ,对反馈位置量赋值 . 这时传感器误差值和位置值相对应 ,校正过程结束 .3 结论1 可以利用四象限硅光电池和单片机实现成本较低的全自动太阳跟踪系统 .2 利用四象限硅光电池 ,太阳跟踪系统可以实现位置的自动修正 .3 在太阳跟踪控制中 , 单片机系统具备较好的稳定性 ,并能够达到相当好的精确度和灵活性 .参考文献 [1 ] 李安定 . 太阳能光伏发电系统工程 [M]. 北京北京工业大学出版社 ,2001.[2 ] 李科杰 . 传感技术 [M]. 北京北京理工大学出版社 ,1988 310 - 345.[3 ] 王清正 ,胡渝 ,林崇杰 . 光电探测技术 [M]. 北京电子工业出版社 ,1989.[4 ] [ 美 ] 弗雷德里克 W林斯 . 集成运算放大器原理及应用 [M]. 成都成都电讯工程学院出版社 ,1987.[5 ] 沈红卫 . 单片机应用系统设计实例与分析 [M]. 北京北京航空航天大学出版社 ,2002 167 - 169.401 四川兵工学报