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跟踪式聚光光伏发电系统控制结构的设计和
[摘 要]文章介绍了一种基于Freescale单片机的跟踪式聚光光伏发电系统的控制结构设计方案.该方案重点阐述了电机驱动与控制、信号采集与调理、防干扰等电路的设计,能够实现对温度、光强、日历时钟、角度、电压、电流等信号的采集,并完成对太阳运行轨迹的精确跟踪.通过实验调试的结果,可以看出整个系统完成了全部功能要求,运行稳定、可靠,表明系统整体设计合理,实现了预期的目标.并且系统结构设计非常简洁,具有较好的性价比和广阔的工程应用前景.
[关键词]Freescale；跟踪式；光伏发电
[ DOI] 10. 13939/j. cnki. zgsc. 2016. 45. 063
1 引 言
光伏发电不产生任何废弃物,无污染,无噪声,是理想的清洁能源,也是解决当今能源短缺、资源枯竭、环境恶化的有效途径之一.[1]其中,跟踪式聚光光伏系统用成本较低的聚光器聚光,提高单位面积太阳电池的输出功率,减少成本较高的太阳电池组件的使用面积,降低了光伏发电的成本,该项技术已成为当前发展最快且最具活力的新型交叉学科的研究领域,具有很好的应用前景.[2]
本文提出了一种基于Freescale单片机的跟踪式聚光光伏发电系统的控制结构设计方案.该方案从系统功能的全面性、稳定性以及低成本的角度出发,能有效提高跟踪式光伏发电系统的效率,具有广阔的工程应用前景.
2 系统整体结构
系统整体结构如图l所示,主要由聚光子系统、冷却子系统、电气控制系统组成.
聚光子系统采用双抛物面新型聚光方法,在两个抛物面的内表面涂有均匀的反光介质,大抛物面和小抛物面凹面相向,它们的轴线、焦线分别重合.当两抛物面的公共法向轴线对准太阳后,平行于抛物面轴线的太阳光经大抛物面反射后聚集在焦线上,再经小抛物面反射后变为汇聚平行的太阳光,均匀地投射到光伏电板上,解决了汇聚光不均匀导致光伏电板局部受热易损坏的问题.
冷却子系统采用滤红外线和水冷法相结合的综合散热冷却法,红外滤光片放置在两抛物面的焦线上或焦线前后附近,将汇聚光中绝大部分红外线滤去,减轻光伏电板上的热效应.光伏电板产生的热量被水冷型金属导热片上的金属细管内的水吸收.当细管内的水温回落到一定的温度,温控阀门会自动关闭,水流停止,达到对光伏电板的冷却作用,最终流出的热水可供日常生活使用,该方法非常经济、安全.
电气控制系统包括日历时钟电路、信号检测与反馈电路、人机交互模块（液晶显示和独立键盘）、双轴跟踪模块和无线通信模块等几个部分.
3硬件设计
控制器是整套装置的控制核心,原理如图2所示.其中主要包括Freescale( MC9S12XS128)单片机的引脚分布、日历时钟电路、角度检测模块、光强检测模块、温度检测模块、液晶显示模块、独立键盘模块、电机驱动模块、蜂鸣器模块、无线通信模块等.
3.1 日历时钟电路
日历跟踪法是利用控制器中预先存储的与当地经纬度相符的太阳运动轨迹函数,由实时时钟电路获得精确的时间信号,由函数计算出不同时刻太阳的迎光仰角与东西偏角,并将装置的姿态调整到对准太阳的位置.
本文选用美国DALLAS公司的DS1302时钟芯片,采用三线接口与控制器实现同步通信.可提供秒、分、时、日、星期、月和年.工作电压宽达2.5 -5. 5V.该芯片有8个引脚,Xl和X2引脚接32. 768kHz晶振,SCLK、I/O和CE分别接控制器的PA.4 - PA.6脚,具体连接电路如图2所示.
3.2信号检测与反馈电路
信号检测与反馈电路是为了实现下位机对图1所示系统电参数和现场环境参数（温度、光强、角度、电压、电流等）值的检测功能.
3.2.1温度检测
跟踪式光伏发电装置中汇聚光的能量密度较高,光伏电板发热严重,温度较高使光伏电池的效率严重下降,散热冷却装置也是跟踪式光伏发电装置中重要的一部分,所以温度检测电路也是必不可少的.
本系统选用一种IC温度传感器DS18 820作为温度检测元件.DS18 820是一线数字式温度传感器,只需一个引脚接口( MO)即可通信.本系统中采用寄生电源的连接方式,原理如图2所示.
3. 2.2光强检测
光照条件对光伏发电装置的影响非常重要,天气情况的好坏直接影响发电效果,例如在阴雨等恶劣天气条件下,不适合进行光伏发电,所以为了提高装置的自适应能力,采用了光强度检测模块BH1750.通过BH1750采集的数据可以实时判断光照条件是否适合发电.
由于BH1750采用的是I2C通信协议,在本设计中分别采用B4、B5与SCL、SDA相连接原理如图2所示.
3. 2.3角度检测
角度检测是实现闭环跟踪控制的关键环节之一,主要包括角位移传感器与单轴倾角传感器.角位移传感器本质上就是一个可调电位器,阻值变化范围：lOOΩ,~100KΩ(10圈）.单轴倾角传感器是利用重力加速(g)指向地心的原理制成的,可以精确检测在竖直方向上的角度.这两种传感器检测的都是模拟信号,可通过单片机的AD口（分别是ADO和AD1口）直接采样送往单片机进行处理.
为了提高控制精度.首先,采用12位（Freescale单片机有8位、10位、12位三种采样精度）的采样精度.所以最高角度采样精度分别可以达到0. 0880( 360/4096)和0.0440 (180/4096).其次,采用算术平均值滤波方法,单通道连续采集8次后取平均值作为本次输出,可以有效降低干扰在有效信号中的比重.
防干扰措施.在装置实际调试过程中,发现采集到的角度信号受到强烈的干扰,数据会不断地飘移,经过分析得出是受到开关电源的信号干扰,故在ADO、AD1口与地信号之间分别接上滤波电容,进行滤波处理,效果比较理想.
3.3人机交互模块
人机交互模块包括液晶显示和独立键盘两个部分.本文选用的是LCD12864液晶模块,它有串行与并行两种工作方式.采用串行通信方式,最低只需2个通用I/O口,若采用并行方式则至少需要11个I/O口,所以本文采用串行工作方式.模块电源地( vss)接地,模块的电源正端(VDD)及串行的片选信号( CS)都接+5V电源,串行数据口( SID)与单片机的PE.3相连,串行的同步时钟(CLK)与单片机的PE．2相连,串行接口选择(PSB)接地,复位脚( RST)及背光源正极(LED_ A)都接+5V电源,背光源负极(LED_ K)接地.
操作键盘便于工作人员根据系统工作情况进行现场操作,本文采用独立式键盘,8个信号输入端分别与单片机的PH.0 - PH.7相连,采用PH口外部中断的工作方式.
3.4双轴跟踪模块
控制器、驱动器和执行电机的连接方式如图3所示.驱动器的A+、A-和B+、B-两相线包与电机直接相连；DIR+和CP+均接+5V电源；DIR -和CP -分别与两个NPN型三极管的集电极相连；同DIR -相连的三极管的基极与控制器的方向控制口相连,用于控制电机转向,另一三极管的基极与控制器的PWM波输出端相连,通过设置PWM波频率,控制电机转速.
3.5无线通信模块
本文选用基于TI公司CC2530F256芯片,运行Zig-bee2007/PRO协议的Zigbee模块DRF1601,实现点对点的通信功能,连接方式如图4所示,主控计算机( PC)通过RS232串口连接线与一个Coordinator相连,Router（路由器）与控制器的UART口（TXD和RXD）相连.
4实验结果
样机（包括控制器）在正常工作时能够实现对太阳的精确跟踪,并且采用LabVIEW语言编写的上位机能够通过Zigbee无线通信模块完成对数据的采集工作,如图5所示.整套装置具有良好的可控性与柔性,非常便于工作人员进行管理.
5结论
本设计采用了以Freescale单片机为核心的闭环控制方法,双轴跟踪,提高了对太阳轨迹跟踪的精确度,同时采用多种传感器进行大量的信息采集,保证了系统功能的全面性、稳定性.该方法的使用能有效提高跟踪式聚光光伏发电系统的效率,具有一定的工程应用前景.
参考文献：
[1]杨金付．多镜面聚光型太阳能光伏系统设计方法的探讨[M]．安徽：合肥T业大学,2007．
[2]黄国华,施玉川,杨宏,等,常规太阳电池聚光特性实验[J]．太阳能学报,2006,27 (1)：19 -22．
[3]王斯成,陈子平,何增先,等．光伏发电自动向日跟踪系统的开发[c]／／第十届中国太阳能光伏会议论文集．杭州：浙江大学出版社,2008: 770 - 773．
[4]刘振起,太阳能集能器自动跟踪装置[J]．节能,2003(9)：22 - 24．
[5]罗来武,顾菊平,茅靖峰,等,基于Freescale的混合式两轴光伏跟踪控制系统设计[J]．微电机,2011,44 (9)：94 - 98.
[基金项目]南通大学自然科学基金（项目编号：142002）；江苏省大学生创新训练计划项目（项目编号：201610304089X）.
[作者简介]罗来武（1987-）,男,汉族,江苏淮安人,助理实验师,硕士.研究方向：控制理论与控制工程.
光伏发电论文范文结:
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1、发电技术期刊
2、热力发电期刊