基于PIC16F877A自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電能為人類(lèi)提供可持續(xù)能源，并保護(hù)賴(lài)以生存的環(huán)境，但其發(fā)電效率低，發(fā)電成本相對(duì)較高仍然足制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。在沒(méi)有出現(xiàn)高效的光伏電池材料之前，研制具有實(shí)用價(jià)值太陽(yáng)聚光器及自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)低成本，則是促進(jìn)太陽(yáng)能廣泛應(yīng)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(huì)更高。

國(guó)外在20世紀(jì)80年代就對(duì)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如美國(guó)、德國(guó)在單雙軸自動(dòng)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(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的商品化自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器。我國(guó)于20世紀(jì)90年代左右也對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，2006年10月在西藏羊八井安裝了4套共計(jì)13．2 kW不同形式的單、雙軸并網(wǎng)發(fā)電太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。之前一直沒(méi)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(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境非常惡劣，維護(hù)困難，跟蹤系統(tǒng)增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，可靠性明顯下降，如果不能保證整個(gè)系統(tǒng)的在各種環(huán)境下都能可靠穩(wěn)定運(yùn)行CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，對(duì)整個(gè)光伏電站來(lái)說(shuō)都可能將是災(zāi)難性的打擊。

(2)跟蹤誤差大

尤其對(duì)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(huì)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(guò)高

全部購(gòu)買(mǎi)國(guó)外成熟的技術(shù)，將大大提高系統(tǒng)的硬件成本與維護(hù)成本。

本文基于PIC16F877微處理器為核心，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出一種雙軸自動(dòng)自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，他具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的基本原理[1-3]

自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，故名思意基本功能就是使光伏陣列隨著太陽(yáng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，基本原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)太陽(yáng)與光伏陣列的位置并將其輸入到控制單元，控制單元對(duì)這2個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使太陽(yáng)光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上。雖然太陽(yáng)在太空中的位置時(shí)刻都在變化，但其運(yùn)行卻具有嚴(yán)格的規(guī)律性，在地平坐標(biāo)系中，太陽(yáng)的位置可由高度角a與方位角φ來(lái)確定，公式如下[2-3]：

式中： δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉?；ω為時(shí)角。

太陽(yáng)赤緯角與時(shí)角可以由本地時(shí)間確定，而對(duì)確定的地點(diǎn)，本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)地理位置與時(shí)間信息就可以確定此時(shí)此刻的太陽(yáng)位置。

2 系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

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

自動(dòng)太陽(yáng)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?xún)r(jià)比較高的PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體原理框圖如圖2所示。

整個(gè)控制器主要由控制單元與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)2部分組成?？刂茊卧山嵌扔?jì)算及反饋控制、啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、保護(hù)信號(hào)處理與人機(jī)通訊5個(gè)部分組成。系統(tǒng)功能說(shuō)明如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)循環(huán)檢測(cè)光伏陣列的位置，并將其與計(jì)算出的此時(shí)本地太陽(yáng)的高度角與方位角進(jìn)行比較來(lái)確定光伏陣列是否跟蹤上太陽(yáng)的位置，如果沒(méi)有且啟動(dòng)信號(hào)滿足啟動(dòng)條件，單片機(jī)就發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；保護(hù)信號(hào)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(gè)系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元主要功能是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光伏電池陣列轉(zhuǎn)動(dòng)。

2．1控制單元硬件設(shè)計(jì)

由于采用了單片機(jī)作為主控制單元，大部分工作都由單片機(jī)在軟件中實(shí)現(xiàn)，從而簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)要說(shuō)明主要控制部分的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

(1)角度計(jì)算及反饋控制

單片機(jī)通過(guò)外擴(kuò)三態(tài)鎖存器輸入口獲取時(shí)鐘模塊產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)與光電旋轉(zhuǎn)編碼器的位置信號(hào)后，利用單片機(jī)快速運(yùn)算處理能力用軟件加以實(shí)現(xiàn)；

(2)電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)生成

本文采用的是步進(jìn)電機(jī)，其驅(qū)動(dòng)脈沖由單片機(jī)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(shè)置相應(yīng)的有關(guān)參數(shù)就可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速；

(3)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)是利用單片機(jī)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(zhuǎn)換，便可實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與單片機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；

(4)考慮到光伏發(fā)電只有在太陽(yáng)光強(qiáng)滿足一定強(qiáng)度的時(shí)候才能發(fā)電，啟動(dòng)信號(hào)主要是利用光敏二極管檢測(cè)光強(qiáng)，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(cè)電路如圖3所示。主要由放大、比較與光耦隔離3個(gè)部分組成。

(5)系統(tǒng)的保護(hù)功能主要包括大風(fēng)保護(hù)、電網(wǎng)掉電保護(hù)、振動(dòng)過(guò)大保護(hù)、限位開(kāi)關(guān)與接近開(kāi)關(guān)保護(hù)組成，單片機(jī)檢測(cè)到保護(hù)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，便發(fā)出指令將系統(tǒng)停放在安全的位置上，確保整個(gè)系統(tǒng)不受損壞。圖4是電網(wǎng)掉電檢測(cè)電路原理圖，主要由降壓、整流與光耦隔離3個(gè)部分組成。

3 控制單元軟件設(shè)計(jì)

軟件是該控制系統(tǒng)的核心，除一些保護(hù)自鎖功能通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)外，大部分功能均通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)軟件采用C語(yǔ)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(wù)子程序流程如圖5所示。

4 系統(tǒng)的抗干擾措施 能夠可靠穩(wěn)定的運(yùn)行是自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器成為成熟產(chǎn)品的前提，該系統(tǒng)從軟件與硬件兩個(gè)方面來(lái)增強(qiáng)抗干擾措施，主要手段有：

(1)外部輸入信號(hào)與控制系統(tǒng)信號(hào)不共地；

(2)有的外部輸入信號(hào)輸入到單片機(jī)內(nèi)部之前都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的光耦電路加以隔離；

(3)優(yōu)化PCB布線結(jié)構(gòu)，減少過(guò)孔，以降低寄生電容雜散電感的影響；

(4)保證整個(gè)系統(tǒng)可靠接地；

(5)外部信號(hào)采用屏蔽電纜線傳輸；

(6)軟件上增加軟件濾波、看門(mén)口定時(shí)器與軟件陷阱等措施，保證軟件在出現(xiàn)死機(jī)、跑飛等故障時(shí)能夠自我恢復(fù)。

(7)系統(tǒng)重要保護(hù)如限位保護(hù)均從軟件與硬件上加以雙重保護(hù)，以提高其可靠性。

5 結(jié) 語(yǔ)

自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器的穩(wěn)定性與可靠性一直是其沒(méi)有被大規(guī)模應(yīng)用的主要問(wèn)題之一。

本文基于PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)高度角與方位角轉(zhuǎn)動(dòng)的自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)跟蹤準(zhǔn)確、能耗低、可靠性高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，發(fā)電效率提高35％以上，對(duì)以后建設(shè)大型戈壁沙漠并網(wǎng)電站具有指導(dǎo)性意義。