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电池板追光体系设计

时间:2013-03-20 11:57:30   阅读:116

最大功率点的获取

晴天时,该系统采用的方法是追踪最大功率点(MPPT),就是找到太阳能电池输出功率最大的位置.MPPT采用的是自寻优的概念,实时测量光伏阵列的输出功率,进行比较后,自动地寻找到最大功率点.不断地寻找,不断地调整,不断地再寻找,如此周而复始.该方法可以自动适应一年四季太阳位置的变化,无需人工干预,十分有利于提高系统的全年效率[5].太阳能电池的U-I特性具有非线性,并且它随着外界环境(温度、日照强度)的变化而变化,在某一特定的温度或日照强度下总存在着一个最大功率点.太阳能电池阵列的输出功率特性曲线如图2所示[6].由图2可知,最大功率点几乎分布在一条垂直线的两侧,可以将最大功率点看作是对应着某一个恒定电压Un.该系统采用一个小型太阳能电池板作为系统的位置传感器,每隔5min读取1次输出电压.如果测量值比设定的最大值小,则需要驱动步进电机正向转动;如果测量值比设定的最大值大,则需要驱动步进电机反向转动;如果测量值等于设定的最大值,则不需要驱动步进电机转动,说明此时位置合适.该系统采用干扰观测法,这种方法能快速准确地进行MPPT控制,但在最大功率点附近振荡运行,稳态输出波形有一定波动,偏差较大.因此,扰动步长设定无法兼顾跟踪精度和响应速度,需进行多次尝试才能选定最佳步长,而且在光照强度剧烈变化时会出现误判.所以这种方法适用于对控制精度要求不是特别高的情况.例如,各种独立太阳能路灯、太阳能景观系统等小功率系统,采用干扰观测法进行MPPT控制足以满足控制精度,且参数调整合理匹配.

主要模块电路设计

时钟芯片

由于该系统在阴天时需通过当前时间进行太阳位置计算,因此,需要采用实时时钟,系统选用了时钟芯片DS1302.该器件具有实时时钟,可提供秒、分、时、日、星期、月和年(闰年补偿).DS1302有2个电源,一个是主电源Vcc2,另一个是备份电源Vcc1.主电源Vcc2同单片机一样接5V电源,而备份电源Vcc1使用的是2节1.5V干电池.在系统电源被切断的情况下,DS1302也能正常工作,保证日期、时间的准确性.X1,X2用来外接晶振,晶振的频率为32.768kHz.

A/D转换

A/D转换的主要作用是把位置传感器两端采集的电压值(0~5V的模拟量)转换成数字量.该系统采用PCF8591芯片进行A/D转换,它具有8位的二进制转换精度.传感器采集的模拟量与数字量对应关系的典型值对应:+5V对应值为FFH,2.5V对应值为80H,0V对应值为00H.PCF8591与单片机的连接如图3所示.

传动机构

传动部分决定着该系统效率的高低、精度的大小.该系统是单轴跟踪,只调整方位角,步进电机就是依靠带动齿轮传动机构来调整太阳能转换利用装置的方位角ψ到位的.该系统在带传动和齿轮传动中选择了齿轮传动.齿轮传动可以做成开式、半开式及闭式,该系统选择了开式齿轮传动.在开式齿轮设计中主要考虑以齿根弯曲疲劳强度和保证齿面接触疲劳强度这2个准则,系统选择了2个齿数分别为16和96的一套齿轮,模数m=2.5,齿数z1=16,z2=96,传动比i=6,压力角a=20°,齿顶系数ha=1,齿根系数hf=0.25,中心距a=140.齿轮是重要零件,由于该系统要求的旋转速度不高,考虑到使用寿命和露天的工作环境,选用了优质碳钢(45#钢)材质的齿轮,耐磨性好,如果没有过大的外力损伤,一般不会坏.

软件设计

系统主程序

该系统主程序包括初始化单片机功能模块、选择当前工作方式环节,从而保证可靠驱动步进电机,控制太阳能转换利用装置始终正对太阳.主程序流程如图4所示.

测量追踪子程序

测量追踪子程序是在晴天时启动,通过读取传感用太阳能电池的输出电压判断太阳能的吸收状态,从而调整太阳能转换利用装置准确到达位置.子程序流程如图5所示.

视日运动追踪子程序

视日运动子程序是在阴天时启动,通过输入的当地经纬度信息、读取的时间信息计算出太阳的准确位置,去实现跟踪.子程序流程如图6所示.

系统安装

太阳能电池板的方位角与高度角对其吸收太阳能都有很大影响,考虑到是单轴追踪,只有东西方向可以自动调整,所以,在安装过程中要根据计算数据固定好南北方向的安装角.因为是固定角度,在角度选取上一般采用牺牲一些夏天的能量,尽量增加一些冬天的能量的原则.例如,某地区夏至日的最大高度角为74.6°,相应安装角为15.4°;冬至日的最大高度角为27.7°,相应安装角为62.3°,则取其平均值为(15.4°+62.3°)/2≈39°.考虑到9:00—11:00,13:00—15:00的情况,此安装角可适当调大(+5°~+8°).该系统也可以随季节调节安装角,夏季略小,冬季略大,而春季和秋季可与当地纬度相当.该系统在安装时,首先要确定安装地点的经纬度,计算出高度角和方位角.再根据时间和季节进行估算定位.在宁夏地区,考虑到9:00—11:00,13:00—15:00的情况,可以使夏季为20°~24°,冬季为67°~70°,春分、秋分以调节到当地纬度加10°为好.

本文作者:蔺金元作者单位:宁夏大学

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