基于單片機(jī)EM78247的光伏發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器

摘要：由于太陽(yáng)位置隨時(shí)間而變化，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池陣列受光照強(qiáng)度不穩(wěn)定，從而降低了光伏電池的效率,因此，設(shè)計(jì)太陽(yáng)自動(dòng)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(jī)EM78247為控制核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器，配合兩臺(tái)交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列與陽(yáng)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(xiàng)抗干擾措施，使其具有較好的跟蹤效果和較強(qiáng)的抗干擾能力，且運(yùn)行可靠穩(wěn)定，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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

　　當(dāng)今社會(huì)人們的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用普遍受到各國(guó)政府重視。因?yàn)樗粌H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(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境。但其發(fā)電效率較低，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)值的陽(yáng)光隨動(dòng)系統(tǒng)以降低成本，是促進(jìn)太陽(yáng)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(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、西班牙在2倍聚光反射跟蹤等方面開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的商品化自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤器[1]。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，但一直沒(méi)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(yùn)行可靠性不高，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。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，對(duì)整個(gè)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(duì)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(huì)使太陽(yáng)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(yáng)能電池組件的使用壽命；第三是采用進(jìn)口技術(shù)和器件使成本過(guò)高。全部購(gòu)買(mǎi)國(guó)外成熟的技術(shù)，大大提高系統(tǒng)的硬件成本與維護(hù)成本，使推廣更加困難。

　　本文以EM78247微處理器為核心，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池組件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種雙軸陽(yáng)光隨動(dòng)控制器，它具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　1 陽(yáng)光隨動(dòng)控制的基本原理

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

圖1 光伏陣列陽(yáng)光隨動(dòng)系統(tǒng)原理框圖

　　　　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)這兩個(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)，使陽(yáng)光時(shí)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(yáng)在天空中的位置時(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α與方位角ψ來(lái)確定，公式如下：

式中： δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉?；α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

　　EM78247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。

　　自動(dòng)陽(yáng)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?xún)r(jià)比較高的EM78247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)兩部分組成?？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)有啟動(dòng)信號(hào)滿(mǎn)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 控制單元的硬件設(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(mǎn)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(mǎn)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。

　　
圖4 電網(wǎng)掉電檢測(cè)電路原理圖

　　2.2 控制單元的軟件設(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。首先對(duì)單片機(jī)進(jìn)行初始化，之后讀取系統(tǒng)初始校驗(yàn)值作為光電旋轉(zhuǎn)編碼器的位置基準(zhǔn)。主循環(huán)程序不斷檢測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，如果滿(mǎn)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(jī)以等待新的指令;校驗(yàn)子程序?qū)ο到y(tǒng)重新進(jìn)行校驗(yàn)，并將新的位置檢驗(yàn)值存儲(chǔ)到單片機(jī)內(nèi)部自帶的E2PROM中作為新的位置基準(zhǔn)，他可以用來(lái)消除系統(tǒng)的累積誤差，同時(shí)也方便了系統(tǒng)的安裝與調(diào)試;系統(tǒng)通常運(yùn)行在自動(dòng)跟蹤狀態(tài)，單片機(jī)時(shí)刻檢測(cè)太陽(yáng)與電池板實(shí)際位置間的差值并結(jié)合啟動(dòng)條件發(fā)出相應(yīng)的PWM脈沖，來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);此外主循環(huán)程序還不斷檢測(cè)當(dāng)前太陽(yáng)與電池板的位置，將位置信息通過(guò)數(shù)據(jù)總線與RS 232分別送到液晶顯示與PC機(jī)監(jiān)控軟件系統(tǒng)中，并將有關(guān)位置參數(shù)及時(shí)存到單片機(jī)的E2PROM中。
　為了充分利用EM78247單片機(jī)的系統(tǒng)資源，提高單片機(jī)的檢測(cè)速度，單片機(jī)接收PC機(jī)的數(shù)據(jù)采用中斷來(lái)實(shí)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(yùn)行是陽(yáng)光自動(dòng)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(gè)方面采取一定的措施來(lái)提高抗干擾能力，主要措施有：

　　一是外部輸入信號(hào)與控制系統(tǒng)信號(hào)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(hào)在輸入到單片機(jī)內(nèi)部之前都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的光耦合電路加以隔離，較好地防止了輸入電路噪聲對(duì)單片機(jī)運(yùn)算處理的干擾；三是進(jìn)一步優(yōu)化了PCB板的布線結(jié)構(gòu)，減少了過(guò)孔，從而降低了寄生電容和雜散電感對(duì)放大電路的影響；四是保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠接地；五是外部信號(hào)采用屏蔽電纜線傳輸，有效控制了信號(hào)傳輸過(guò)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(mén)口定時(shí)器與軟件陷阱等措施，確保軟件在出現(xiàn)死機(jī)、跑飛等故障時(shí)能夠自我恢復(fù)，提高了軟件運(yùn)行的可靠性，從而確保了整個(gè)控制器工作的可靠性；七是在整個(gè)控制器中的重要保護(hù)（如限位保護(hù)）均從軟件與硬件兩方面采取有效措施，實(shí)現(xiàn)軟硬件雙重保護(hù)，從而進(jìn)一步提高了整個(gè)控制器運(yùn)行的可靠性。

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

　　4 結(jié) 語(yǔ)

　　陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器的穩(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EM78247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)的陽(yáng)光自動(dòng)跟蹤控制器，試驗(yàn)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20%以上，具有較大的應(yīng)用價(jià)值。