全方位太陽輻照度測量系統(tǒng)設計

摘要：設計一種以DSP為核心的全方位太陽輻照度測量系統(tǒng)，利用安裝在云臺上的太陽能電池板的轉動以獲取全方位的太陽輻照度數(shù)據(jù)。通過對采集到的數(shù)據(jù)進行分析，既可以測試太陽能電池板在各種安裝方式(如平放、斜放和幕墻)下的發(fā)電效率，又可對光伏建筑一體化的光伏電站建設方案進行評估，還可在建成之后對光伏電站的發(fā)電狀態(tài)進行管理和監(jiān)測。
關鍵詞：太陽輻照度；光伏建筑；DSP；云臺

引言
    通過對長期采集到的數(shù)據(jù)進行分析，可以得到當?shù)毓夥ㄖ惑w化中太陽能電池板在不同方位角和俯仰角下的發(fā)電效率，以此來評估在光伏建筑一體化中光伏發(fā)電方案的可行性。

1 系統(tǒng)工作原理
    本系統(tǒng)由云臺、太陽能電池板、太陽總輻照度傳感器和控制系統(tǒng)構成，其工作原理框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)通過控制云臺，使得安裝在云臺上的太陽能電池板能夠在縱向和橫向上掃描，從而采集到全方位的太陽輻照度數(shù)據(jù)。太陽總輻照度由控制系統(tǒng)直接讀取安裝在固定水平面上的太陽總輻照度傳感器而得來，其值是用來標定太陽能電池板的發(fā)電功率所折算得到的全方位太陽輻照度。在實際的光伏發(fā)電中，由于太陽能電池板的固有特性，太陽總輻照度不能完全表征光伏發(fā)電的效率，因此通過太陽能電池板的發(fā)電功率所折算得到的太陽輻照度在光伏建筑一體化中才有實際的指導意義。我國大部分地區(qū)處住北回歸線以上，縱向上能夠讓太陽能電池板在水平和垂直方向之間轉動，橫向上能夠讓太陽能電池板在正東和正兩方向之間經(jīng)過正南轉動，即可滿足設計要求。通過控制系統(tǒng)來控制云臺，就可以獲取太陽能電池板準確的方位角和俯仰角，方位角的范圍為0～180°，俯仰角的范圍為0～90°。

2 系統(tǒng)硬件設計
    本系統(tǒng)以ADSP-BF506F(簡稱BF506F)處理器為核心，其硬件結構如圖2所示。BF506F處理器內核時鐘可高達400MHz，片上有68 KB L1存儲器、4 MB可執(zhí)行閃存，能夠滿足本系統(tǒng)的設計要求。本系統(tǒng)采用了BF506F處理器的UART的DMA方式，具有SPI、TWI、PWM單元、TIMER、ADC、PGIO等各種接口和功能單元，可方便實現(xiàn)云臺的控制、數(shù)據(jù)的采集以及與PC機的通信。

    BF506F處理器通過步進電機驅動電路來控制云臺的轉動，讓安裝在云臺上的太陽能電池板能夠在橫向和縱向上轉動；云臺內部有限位開關，通過調節(jié)限位開關的位置來設定太陽能電池的轉動范圍；當太陽能電池轉動了一定的角度后，BF506F就采集一次數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機，所采集的數(shù)據(jù)包括太陽總輻照度和太陽能電池的電壓、電流值；當BF506F接收PC機發(fā)送的指令后就執(zhí)行相應的動作，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行。
2．1 步進電機驅動電路
    步進電機的驅動電路以東芝的TB6560為主芯片，其驅動電路如圖3所示。步進電機控制信號有3個(CLK、CW、ENABLE)，分別控制電機的轉角和速度、電機正反方向以及使能，均須用光耦隔離后與芯片連接。光耦的前向和后向電源應該是單獨隔離電源，否則不能起到隔離干擾
的作。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機2相輸出接口，內部集成了續(xù)流二極管。

    NFA、NFB分別為電機A、B相最大驅動電流定義引腳，其最大電流計算公式如下：
    IOUT=0．5 V／RNF
    若預先定義電機每相的最大驅動電流為2．5 A，取RNF=0．2Ω。M2、M1為細分設置引腳，外接撥碼開關可設定不同的細分值，如整步、半步、1／8細分、1／16細分。由于步進電機在低頻工作時，有振動大、噪聲大的缺點，需要細分解決。為盡可能減小電機發(fā)熱，需要TB6560的TQ2和TQ1引腳電平在電機工作時設置為電流輸出最大，在電機不工作時電流減半甚至更小，故稱為“自動半流電路”。用NFA、NFB定義最大輸出電流后，通過TQ2和TQ1設置電流比率輸出，設為00、01、10、11時，輸出的電流分別為最大電流的100％、75％、50％、25％。改變電機的驅動電流，也就改變了電機輸出扭矩的大小。
2．2 太陽總輻照度測量電路
    太陽總輻照度在本系統(tǒng)中是一個標定量，用來標定通過測量太陽能電池的功率來計算得的太陽輻照度。太陽總輻照度是通過讀取國家一級輻照傳感器TBQ-2值而得到的。太陽總輻照度傳感器輸出的信號電壓為0～20mV，對應的是輻照度為0～2000 W／m2，因此先對傳感器輸出的信號進行放大，再進行模／數(shù)轉換，最后通過計算即可得到太陽總輻照度的值。

    太陽總輻照度的測量電路如圖4所示。信號放大所采用的是增益可編程、高性能儀表放大器AD8221，通過單一電阻可在1～1000范圍內設置增益。模／數(shù)轉換采用的是帶有SPI接口的12位模數(shù)轉換器TLC2543。BH506F核心板通過SPI接口即可讀取太陽總輻照度的值。
    
    式中，UIN為太陽總輻照度傳感器的輸出信號電壓，其范圍為0～20 mV；因為要將0～20 mV信號放大到0～5 V，所以RG的值為198．4 Ω；太陽總輻照度Ee的單位是W／m2；可測量到的最大輻照度Emax為2000W／m2，可放大到的最大電壓Umax為5V。
2．3 太陽輻照度測量電路
    由于太陽能電池發(fā)電的功率與太陽的輻照成正比，本系統(tǒng)通過測量太陽能電池板的功率來計算太陽輻照度。其測量電路如圖5所示。AV +、AV-為太陽能電池板電壓輸出的正極和負極，RE為高精密的測量電阻，RL為5 W的功率電阻；SDA和SCL為TWI接口的兩根信號線，接BF506F核心板的TWI接口。BF506F通過TWI接口可以直接讀取VIN-相應的電壓UVIN-，以及VIN+和VIN-的電壓差UVIN。

    根據(jù)雙向電流、電壓與電源監(jiān)控器INA209的測量原理和太陽輻照度與太陽能電池發(fā)電功率的關系可以計算出太陽輻照度。太陽能電池板電流IRE和太陽輻照度Ep的計算公式如下：
    
    式中，太陽輻照度Ep的單位為W／m2；S為太陽能電池板的面積，其值為637 cm2；ψ為多晶硅太陽能電板的轉換效率，其值為12％。
2．4 系統(tǒng)通信部分
    系統(tǒng)通信原理框圖如圖6所示，采用RS485來進行數(shù)據(jù)的傳輸。本文的測量平臺是放置在較為空曠的室外，以便能采集到較為理想的數(shù)據(jù)，而接收機(PC機)放置在室內，這兩者之間的距離比較遠，采用RS485總線進行數(shù)據(jù)傳輸能夠符合本系統(tǒng)的要求。在此用的是全雙工通信方式，即發(fā)送和接收可同時進行，互不受影響。采用4根信號線，2根負責接收數(shù)據(jù)，另外2根負責發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設計
    圖7為系統(tǒng)的程序流程。上電后先對BF506F核心板進行初始化，包括初始化UART、ADC、TIMER、PGIO、SPI、TWI等。當系統(tǒng)初始化完成
后便開始運行主程序，首先測量并計算運動控制算法所需要的各個參數(shù)，要測量的有縱向電機從水平方向轉動到垂直方向的總步數(shù)和橫向電機從正東方向轉動到正西方向的總步數(shù)。當計算完參數(shù)后就開始執(zhí)行運動控制算法A，執(zhí)行完畢后對運動控制算法B的起點進行重新定位，然后執(zhí)行控制算法B。當執(zhí)行完運動控制算法B后對運動控制算法的各個數(shù)據(jù)進行重新測量和計算，如此一直循環(huán)下去，直到程序被停止。

    算法A中縱向步進電機通過頻繁地來同轉動可獲得縱向上(俯仰角)準確的數(shù)據(jù)；算法B中橫向步進電機通過頻繁地來回轉動可獲得橫向上(方位角)準確的數(shù)據(jù)。此兩種算法在不停地交替執(zhí)行，不但可以在橫向和縱向上獲取豐富準確的數(shù)據(jù)，而且可以延長步進電機的使用壽命。
    在本系統(tǒng)中，定義正東方向為0°，正南方向為90°，正西方向為180°，通過控制橫向步進電機的轉動使得太陽能電池板在橫向0°和180°之間轉動；定義太陽能電池板與地面平行時為0°，太陽能電池板與地面垂直時為90°，通過控制縱向步進電機的轉動使得太陽能電池板在縱向0°和90°之間轉動。同時還定義橫向為X，縱向為Y，則太陽能電池板運動到某一點時可用(x，y)來表示。下面是算法A和算法B的具體執(zhí)行過程。
    算法A的起點為(0，0)點，終點為(180，90)點?？v向步進電機每轉動90°，橫向步進電機就向180°點(正西方向)方向轉動3°，當橫向步進電機轉動到180°點后就結束算法A。其程序執(zhí)行順序如下：
    ①縱向步進電機從0°點向90°點運動1°。
    ②判斷縱向電機是否到達90°點，“是”則接著運行，“否”則返回第1步。
    ③橫向步進電機從0°點向180°點運動3°。
    ④判斷橫向電機是否到達180°，“是”則結束算法A，“否”則接著運行。
    ⑤縱向步進電機從90°點向0°點運動1°。
    ⑥判斷縱向電機是否到達0°點，“是”則接著運行，“否”則返回第5步。
    ⑦橫向步進電機從0°點向180°點運動3°。
    ⑧判斷橫向電機是否到達180°，“是”則結束算法A，“否”則接著運行。
    算法B的起點為(180，90)點，終點為(0．0)點。橫向步進電機每轉動180°，縱向步進電機就向0°點(水平方向)方向轉動3°，當橫向步進電機轉動到0°點后就結束算法B。其程序執(zhí)行順序如下：
    ①橫向步進電機從180°度點向0°點運動1°。
    ②判斷橫向電機是否到達0°點，“是”則接著運行，“否”則返回第1步。
    ③縱向步進電機從90°點向0°點運動3°。
    ④判斷縱向電機是否到達90°，“是”則結束算法B，“否”則接著運行。
    ⑤橫向步進電機從0°點向180°點運動1°。
    ⑥判斷橫向電機是否到達180°點，“是”則繼續(xù)，“否”則返回第5步。
    ⑦縱向步進電機從90°點向0°點運動3°。
    ⑧判斷縱向電機是否到達0°，“是”則結束算法B，“否”則返回第1步。

結語
    本系統(tǒng)的硬件實物圖如圖8所示。設計本系統(tǒng)是為了獲取全方位的太陽輻照度數(shù)據(jù)，其要求是在準確的方位角和俯仰角下采集到精確的太陽輻照度數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，影響數(shù)據(jù)精度的有兩個方面：一是測量電路本身，為了減小太陽輻照度數(shù)據(jù)的誤差，在硬件上改進測量電路，在軟件上優(yōu)化測量算法；二是云臺所造成的誤差，為了更加準確地定位太陽能電池板的方位，可以改進云臺內部的步進電機和齒輪，以及優(yōu)化云臺的控制算法。經(jīng)過長期地運行本系統(tǒng)，各功能模塊工作正常，測得數(shù)據(jù)真實可靠。