基于單片機EM78247的光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽自動跟蹤器

摘要：由于太陽位置隨時間而變化，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池陣列受光照強度不穩(wěn)定，從而降低了光伏電池的效率,因此，設(shè)計太陽自動跟蹤器是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率的有效措施。本文采用單片機EM78247為控制核心，設(shè)計了一個雙軸太陽自動跟蹤器，配合兩臺交流伺服電機實現(xiàn)光伏電池陣列與陽光照射之間的同步跟蹤。該控制器在硬件和軟件各方面采取了多項抗干擾措施，使其具有較好的跟蹤效果和較強的抗干擾能力，且運行可靠穩(wěn)定，具有較高的實際應(yīng)用價值。

　　關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；EM78247；太陽自動跟蹤器

　　當(dāng)今社會人們的環(huán)保意識越來越強，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用普遍受到各國政府重視。因為它不僅能為我們提供用之不竭的可持續(xù)再生電能，并更好地保護人類賴以生存的環(huán)境。但其發(fā)電效率較低，發(fā)電成本相對較高仍然足制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。在沒有出現(xiàn)高效的光伏電池材料之前，研制具有實用價值的陽光隨動系統(tǒng)以降低成本，是促進太陽能廣泛應(yīng)用的主要途徑之一。據(jù)研究，雙軸系統(tǒng)可提高發(fā)電量35%左右，單軸系統(tǒng)也可提高20%左右。

　　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、西班牙在2倍聚光反射跟蹤等方面開發(fā)出了相應(yīng)的商品化自動陽光跟蹤器[1]。我國于20世紀90年代左右也對其進行了大量的研究，但一直沒有穩(wěn)定可靠的商品化產(chǎn)品出現(xiàn)，主要原因在于：

　　首先，系統(tǒng)的運行可靠性不高，無法滿足使用要求。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(zhuǎn)機構(gòu)與相應(yīng)的機械機構(gòu)，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，對整個光伏系統(tǒng)反而是災(zāi)難性的打擊；其次，跟蹤器的控制誤差偏大。尤其對反射聚光的跟蹤器，如果跟蹤誤差偏大，不但不能提高發(fā)電效率，反而會使太陽能電池組件的受光面積變小，產(chǎn)生熱斑等不利影響，從而降低太陽能電池組件的使用壽命；第三是采用進口技術(shù)和器件使成本過高。全部購買國外成熟的技術(shù)，大大提高系統(tǒng)的硬件成本與維護成本，使推廣更加困難。

　　本文以EM78247微處理器為核心，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池組件，設(shè)計開發(fā)了一種雙軸陽光隨動控制器，它具有運行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

　　1 陽光隨動控制的基本原理

　　陽光隨動控制器，顧名思義其基本功能就是使光伏陣列隨著陽光而轉(zhuǎn)動，基本原理框圖如圖1所示。

圖1 光伏陣列陽光隨動系統(tǒng)原理框圖

　　　　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，控制單元對這兩個信號進行比較并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)機構(gòu)，使陽光時刻垂直入射到光伏陣列的表面上，使光伏陣列始終處于最佳光照條件下，發(fā)揮最大光伏轉(zhuǎn)換效率。

　　雖然太陽在天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(biāo)系中，太陽的位置可由高度角α與方位角ψ來確定，公式如下：

式中： δ為太陽赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉牵沪翞闀r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(dāng)?shù)叵嚓P(guān)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(shè)計方案

　　EM78247是一款具有RISC結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。

　　自動陽光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EM78247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(qū)動執(zhí)行機構(gòu)兩部分組成?？刂茊卧山嵌扔嬎慵胺答伩刂?、啟動信號產(chǎn)生、電機驅(qū)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，如果沒有啟動信號滿足啟動條件，單片機就發(fā)出指令驅(qū)動電機轉(zhuǎn)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(qū)動執(zhí)行單元主要功能是用來實現(xiàn)電機驅(qū)動與旋轉(zhuǎn)，并通過機械傳動機構(gòu)帶動光伏電池陣列轉(zhuǎn)動。

　　2.1 控制單元的硬件設(shè)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(shè)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(zhuǎn)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(qū)動信號生成 本文采用的是步進電機，其驅(qū)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(shè)置相應(yīng)的有關(guān)參數(shù)就可改變電機的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fēng)保護、電網(wǎng)掉電保護、振動過大保護、限位開關(guān)與接近開關(guān)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。

　　
圖4 電網(wǎng)掉電檢測電路原理圖

　　2.2 控制單元的軟件設(shè)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(wù)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(zhuǎn)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(fù)位條件便發(fā)出指令轉(zhuǎn)入復(fù)位子程序，迅速將電池板轉(zhuǎn)到適當(dāng)?shù)奈恢煤蟠龣C以等待新的指令;校驗子程序?qū)ο到y(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(diào)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(jié)合啟動條件發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖，來控制電機轉(zhuǎn)動;此外主循環(huán)程序還不斷檢測當(dāng)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(guān)位置參數(shù)及時存到單片機的E2PROM中。
　為了充分利用EM78247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。

　　3 系統(tǒng)的抗干擾措施

　　能夠可靠穩(wěn)定的運行是陽光自動跟蹤控制器走向?qū)嶋H應(yīng)用的前提，該控制器主要從軟件與硬件兩個方面采取一定的措施來提高抗干擾能力，主要措施有：

　　一是外部輸入信號與控制系統(tǒng)信號不共地，較好地防止了相互之間的共地干擾；二是所有的外部輸入信號在輸入到單片機內(nèi)部之前都經(jīng)過嚴格的光耦合電路加以隔離，較好地防止了輸入電路噪聲對單片機運算處理的干擾；三是進一步優(yōu)化了PCB板的布線結(jié)構(gòu)，減少了過孔，從而降低了寄生電容和雜散電感對放大電路的影響；四是保證整個系統(tǒng)的可靠接地；五是外部信號采用屏蔽電纜線傳輸，有效控制了信號傳輸過程中的池漏和電磁噪聲的干擾；六是在軟件上增加了軟件濾波、看門口定時器與軟件陷阱等措施，確保軟件在出現(xiàn)死機、跑飛等故障時能夠自我恢復(fù)，提高了軟件運行的可靠性，從而確保了整個控制器工作的可靠性；七是在整個控制器中的重要保護（如限位保護）均從軟件與硬件兩方面采取有效措施，實現(xiàn)軟硬件雙重保護，從而進一步提高了整個控制器運行的可靠性。

　　總之，采取這些措施后，該陽光自動跟蹤控制器的抗干擾能力和運行可靠性均有很大提高，為實現(xiàn)商品化生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件。

　　4 結(jié) 語

　　陽光自動跟蹤控制器的穩(wěn)定性與可靠性一直是其沒有被大規(guī)模應(yīng)用的主要問題之一。本文基于EM78247單片機為控制核心，設(shè)計了一種自動跟蹤太陽高度角與方位角轉(zhuǎn)動的陽光自動跟蹤控制器，試驗運行結(jié)果表明該系統(tǒng)跟蹤準確、能耗低、可靠性高、系統(tǒng)性能穩(wěn)定，發(fā)電效率提高20%以上，具有較大的應(yīng)用價值。