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基于PIC16F877A自動太陽跟蹤器的設計

2009/6/3 11:07:00

光伏發(fā)電能為人類提供可持續(xù)能源，并保護賴以生存的環(huán)境，但其發(fā)電效率低，發(fā)電成本相對較高仍然足制約其大規(guī)模應用的重要因素。在沒有出現(xiàn)高效的光伏電池材料之前，研制具有實用價值太陽聚光器及自動跟蹤系統(tǒng)以實現(xiàn)低成本，則是促進太陽能廣泛應用的主要途徑之一。一般雙軸系統(tǒng)可提高發(fā)電量35％左右，單軸系統(tǒng)可提高20％左右，聚光型跟蹤系統(tǒng)會更高。

　　國外在20世紀80年代就對太陽跟蹤系統(tǒng)進行了研究，如美國、德國在單雙軸自動跟蹤、F1本在聚光菲立爾透鏡跟蹤、西班牙在2倍聚光反射跟蹤等方面均開發(fā)出了相應的商品化自動太陽跟蹤器。我國于20世紀90年代左右也對其進行了大量的研究，2006年10月在西藏羊八井安裝了4套共計13．2 kW不同形式的單、雙軸并網(wǎng)發(fā)電太陽自動跟蹤系統(tǒng)。之前一直沒有穩(wěn)定可靠的商品化的產(chǎn)品出現(xiàn)，究其原因主要有：

(1)系統(tǒng)可靠性不能滿足要求

　　由于大部分光伏電站都安裝在偏遠地區(qū)，環(huán)境非常惡劣，維護困難，跟蹤系統(tǒng)增加了旋轉機構與相應的機械機構，可靠性明顯下降，如果不能保證整個系統(tǒng)的在各種環(huán)境下都能可靠穩(wěn)定運行，對整個光伏電站來說都可能將是災難性的打擊。

(2)跟蹤誤差大

　　尤其對反射聚光的跟蹤系統(tǒng)，如果跟蹤誤差大，不但不能提高發(fā)電效率，反而會使電池板受光小均，產(chǎn)乍熱斑等影響，大大縮短了電池板的使用壽命。

(3)成本過高

　　全部購買國外成熟的技術，將大大提高系統(tǒng)的硬件成本與維護成本。

　　本文基于PIC16F877微處理器為核心，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)，開發(fā)出一種雙軸自動自動太陽跟蹤器，他具有運行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點。

1 自動太陽跟蹤器的基本原理[1-3]

　　自動太陽跟蹤器，故名思意基本功能就是使光伏陣列隨著太陽而轉動，基本原理框圖如圖1所示。

　　該系統(tǒng)時刻檢測太陽與光伏陣列的位置并將其輸入到控制單元，控制單元對這2個信號進行比較并產(chǎn)生相應的輸出信號來驅動旋轉機構，使太陽光時刻垂直入射到光伏陣列的表面上。

　　雖然太陽在太空中的位置時刻都在變化，但其運行卻具有嚴格的規(guī)律性，在地平坐標系中，太陽的位置可由高度角a與方位角φ來確定，公式如下[2-3]：
　　　　　　　　　　　　　　　

　　式中： δ為太陽赤緯角；φ為當?shù)氐木暥冉牵?omega;為時角。

　　太陽赤緯角與時角可以由本地時間確定，而對確定的地點，本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當?shù)叵嚓P地理位置與時間信息就可以確定此時此刻的太陽位置。
　　　　　

2 系統(tǒng)的整體設計方案

　　PIC16F877A是一款具有RISC結構的高性能中檔單片機，僅有35條單字指令，8 k×14個字節(jié)FLASH程序存儲器，368×8個字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲器，256×8個字節(jié)E2PROM數(shù)據(jù)存儲器，14個中斷源，8級深度的硬件堆棧，內(nèi)部看門狗定時器，低功耗休眠模式，高達25 mA的吸入／拉出電流，外部具有3個定時器模塊，2個16位捕捉器／16位比較器／10位PWM模塊，10位多通道A／D轉換器，通用同步異步接收／發(fā)送器等功能模塊[5]。

　　自動太陽跟蹤器的控制方式主要有微處理器控制、PLC控制、DSP控制與模擬電路控制4種形式，根據(jù)以上原理，本文選擇性價比較高的PIC16F877A單片機為控制核心，系統(tǒng)實現(xiàn)的具體原理框圖如圖2所示。
　　　　　　　

　　整個控制器主要由控制單元與驅動執(zhí)行機構2部分組成。控制單元由角度計算及反饋控制、啟動信號產(chǎn)生、電機驅動信號產(chǎn)生、保護信號處理與人機通訊5個部分組成。系統(tǒng)功能說明如下：單片機循環(huán)檢測光伏陣列的位置，并將其與計算出的此時本地太陽的高度角與方位角進行比較來確定光伏陣列是否跟蹤上太陽的位置，如果沒有且啟動信號滿足啟動條件，單片機就發(fā)出指令驅動電機轉動；保護信號是保證系統(tǒng)在外界以及其他非人為因素情況下所執(zhí)行的一種操作指令，以確保系統(tǒng)不受損壞，從而提高了整個系統(tǒng)的可靠性。驅動執(zhí)行單元主要功能是用來實現(xiàn)電機驅動與旋轉，并通過機械傳動機構帶動光伏電池陣列轉動。

2．1控制單元硬件設計

　　由于采用了單片機作為主控制單元，大部分工作都由單片機在軟件中實現(xiàn)，從而簡化了控制電路的硬件設計，簡要說明主要控制部分的實現(xiàn)過程。

(1)角度計算及反饋控制

　　單片機通過外擴三態(tài)鎖存器輸入口獲取時鐘模塊產(chǎn)生的時間信號與光電旋轉編碼器的位置信號后，利用單片機快速運算處理能力用軟件加以實現(xiàn)；

(2)電機驅動信號生成

　　本文采用的是步進電機，其驅動脈沖由單片機內(nèi)部自帶的10位PWM波發(fā)生模塊產(chǎn)生，只需在軟件中設置相應的有關參數(shù)就可改變電機的轉速；

(3)上位機監(jiān)控系統(tǒng)是利用單片機內(nèi)部自帶的異步接受／發(fā)送器等功能模塊，硬件部分只需加MAX 232加以電平轉換，便可實現(xiàn)PC機與單片機的數(shù)據(jù)傳輸；

(4)考慮到光伏發(fā)電只有在太陽光強滿足一定強度的時候才能發(fā)電，啟動信號主要是利用光敏二極管檢測光強，保證系統(tǒng)在夜間或陰雨天不滿足發(fā)電條件的情況下，系統(tǒng)停止跟蹤，檢測電路如圖3所示。主要由放大、比較與光耦隔離3個部分組成。

(5)系統(tǒng)的保護功能主要包括大風保護、電網(wǎng)掉電保護、振動過大保護、限位開關與接近開關保護組成，單片機檢測到保護信號產(chǎn)生時，便發(fā)出指令將系統(tǒng)停放在安全的位置上，確保整個系統(tǒng)不受損壞。圖4是電網(wǎng)掉電檢測電路原理圖，主要由降壓、整流與光耦隔離3個部分組成。

3 控制單元軟件設計

　　軟件是該控制系統(tǒng)的核心，除一些保護自鎖功能通過硬件實現(xiàn)外，大部分功能均通過軟件來實現(xiàn)，整個軟件采用C語言模塊化編程方式，易于系統(tǒng)的移植與集成。

　　主程序與中斷服務子程序流程如圖5所示。首先對單片機進行初始化，之后讀取系統(tǒng)初始校驗值作為光電旋轉編碼器的位置基準。主循環(huán)程序不斷檢測系統(tǒng)的運行狀態(tài)，如果滿足復位條件便發(fā)出指令轉入復位子程序，迅速將電池板轉到適當?shù)奈恢煤蟠龣C以等待新的指令；校驗子程序對系統(tǒng)重新進行校驗，并將新的位置檢驗值存儲到單片機內(nèi)部自帶的E2PROM中作為新的位置基準，他可以用來消除系統(tǒng)的累積誤差，同時也方便了系統(tǒng)的安裝與調試；系統(tǒng)通常運行在自動跟蹤狀態(tài)，單片機時刻檢測太陽與電池板實際位置間的差值并結合啟動條件發(fā)出相應的PWM脈沖，來控制電機轉動；此外主循環(huán)程序還不斷檢測當前太陽與電池板的位置，將位置信息通過數(shù)據(jù)總線與RS 232分別送到液晶顯示與PC機監(jiān)控軟件系統(tǒng)中，并將有關位置參數(shù)及時存到單片機的E2PROM中。

　　為了充分利用PIC16F877單片機的系統(tǒng)資源，提高單片機的檢測速度，單片機接收PC機的數(shù)據(jù)采用中斷來實現(xiàn)，流程框圖如圖5所示。
　　　　