基于TMS320F2812的太陽(yáng)跟蹤器設(shè)計(jì)

摘要：采用傳感器和太陽(yáng)位置計(jì)算相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了基于TI公司的TMS320F2812的高精度太陽(yáng)跟蹤器。一方面可以防止較大誤差積累，另一方面可以避免光線、天氣情況的影響，跟蹤精度得到了較大提高，能夠很好地應(yīng)用于光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的精確跟蹤。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)跟蹤器；硅光電池傳感器；TMS320F2812

引言
    太陽(yáng)能是一種無(wú)污染、無(wú)噪聲、無(wú)公害的可再生能源，目前開發(fā)利用太陽(yáng)能的方式很多，光伏發(fā)電是其中一種主要的利用方式。所謂光伏，是以太陽(yáng)能電池為媒介，將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。我國(guó)目前采用的光伏發(fā)電電池以普通單晶硅多晶硅為主，轉(zhuǎn)換效率較低；聚光電池轉(zhuǎn)換效率較高，但需要跟蹤精度較高的太陽(yáng)跟蹤器，時(shí)時(shí)刻刻跟蹤太陽(yáng)，使太陽(yáng)光線與集光板垂直，利用圖1所示的菲涅耳透鏡使光線匯聚在聚光器的聚光電池上，提高能量密度，從而提高發(fā)電效率。



1 太陽(yáng)跟蹤器跟蹤原理
    目前國(guó)內(nèi)外的太陽(yáng)跟蹤器按跟蹤原理分為：傳感器檢測(cè)的主動(dòng)跟蹤原理和太陽(yáng)位置計(jì)算的被動(dòng)跟蹤原理。本文將兩種原理相結(jié)合設(shè)計(jì)了基于TI公司的DSP芯片TMS320F2812的太陽(yáng)跟蹤控制器。
1．1 傳感器檢測(cè)的原理
   利用硅光電池的光電效應(yīng)，在太陽(yáng)能集光板上高度和方位方向各放置兩個(gè)長(zhǎng)方形的硅光電池板，陽(yáng)光通過(guò)通光筒照射在硅光電池板上，如圖2所示。


    高度方向硅光電池被分為A、B兩個(gè)區(qū)域，方位方向硅光電池被分為C、D兩個(gè)區(qū)域。通過(guò)電壓比較電路可分別計(jì)算出它們之間的電壓差：
  
    其中，UA、UB、UC、UD為A、B、C、D各點(diǎn)的電壓，K為標(biāo)定系數(shù)，由此可在一定范圍內(nèi)檢測(cè)角度偏差，從而確定運(yùn)動(dòng)方向和角度變化大小。[!--empirenews.page--]
1．2 太陽(yáng)位置計(jì)算的原理
    太陽(yáng)在天球上的位置可由太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角來(lái)確定。地球上觀測(cè)點(diǎn)同太陽(yáng)中心連線與地平面的夾角，稱為太陽(yáng)高度角；地球上觀測(cè)點(diǎn)同太陽(yáng)中心連線在地平面上的投影與正南方向之間的夾角，稱為太陽(yáng)方位角。太陽(yáng)運(yùn)行軌跡與太陽(yáng)高度角α、方位角γ的關(guān)系如圖3所示。


    要計(jì)算α和γ，可以采用以下計(jì)算方法：
  
 

    δ為太陽(yáng)赤位角，ω為太陽(yáng)時(shí)角，φ為當(dāng)?shù)氐木暥?。?duì)于δ和ω這兩個(gè)參數(shù)的精確計(jì)算要滿足高精度跟蹤的需求，并根據(jù)實(shí)際情況來(lái)不斷修正；同時(shí)，還需要結(jié)合傳感器檢測(cè)的原理加以修正。采用TMS320F2812做主處理器，根據(jù)硬件時(shí)鐘提供的日歷時(shí)間計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方
位角，進(jìn)而控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向和角度，由傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)支架轉(zhuǎn)動(dòng)精確地跟蹤太陽(yáng)。

2 跟蹤器體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
    根據(jù)上述工作原理，本設(shè)計(jì)以太陽(yáng)位置計(jì)算的方法為主要跟蹤方式，采用硅光電池傳感器進(jìn)行角度偏差反饋，設(shè)計(jì)了高精度太陽(yáng)跟蹤器。
2．1 主要控制電路硬件設(shè)計(jì)
   硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。選用TI公司32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器TMS320F2812和Altera公司的CPLDEPM3256為主協(xié)處理器。由DSP完成計(jì)算與控制算法，并產(chǎn)生用于步進(jìn)電機(jī)控制的SPWM波；輸入／輸出接口采用光電隔離；驅(qū)動(dòng)器電路選擇IPM模塊，可以達(dá)到功率驅(qū)動(dòng)的目的，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)高度和方位步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。CPLD實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示、掃描鍵盤、接收擴(kuò)展中斷等功能。二者通過(guò)DSP的外部接口(XINTF)進(jìn)行通信。采用光電開關(guān)和限位開關(guān)分別實(shí)現(xiàn)定位、限位功能，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。采用LCD顯示和5×5矩陣鍵盤，方便進(jìn)行人機(jī)交互的臨時(shí)調(diào)整操作。


    首先利用光電定位開關(guān)和硅光電池傳感器進(jìn)行初始對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)TMS320F2812的SPI總線設(shè)置硬件時(shí)鐘RTC初值后，利用硬件時(shí)鐘實(shí)時(shí)讀取時(shí)間并計(jì)算太陽(yáng)高度、方位角。在設(shè)定的工作時(shí)間內(nèi)，依據(jù)計(jì)算的太陽(yáng)高度、方位角選擇合適的運(yùn)行時(shí)間和運(yùn)行速度，計(jì)算步進(jìn)電機(jī)應(yīng)該轉(zhuǎn)的步數(shù)和控制板應(yīng)該發(fā)的脈沖數(shù)。由 EV事件管理器產(chǎn)生SPWM波，經(jīng)IPM功率驅(qū)動(dòng)后，驅(qū)動(dòng)高度和方位方向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)帶動(dòng)太陽(yáng)能集光器支架轉(zhuǎn)動(dòng)適當(dāng)角度，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。每天工作完以后自動(dòng)返回歸位，若出現(xiàn)較大位置偏差，可以由光電開關(guān)和硅光電池傳感器進(jìn)行修正。修正完畢重新進(jìn)入自動(dòng)跟蹤，工作完成后自動(dòng)返回。[!--empirenews.page--]
2．2 主要控制軟件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)在正常工作時(shí)，每天從定位開關(guān)處開始自動(dòng)運(yùn)行，晚上返回定位開關(guān)處。啟動(dòng)和返回時(shí)間由太陽(yáng)高度決定。在完成一周期(即一天)的跟蹤后由時(shí)鐘電路的定時(shí)中斷信號(hào)進(jìn)入休眠狀態(tài)，或定時(shí)由繼電器關(guān)閉總電源，減小系統(tǒng)功耗，待次日由定時(shí)中斷信號(hào)或值班電路給出信號(hào)喚醒處理器進(jìn)入下一周期工作?？刂栖浖绦蛄鞒倘鐖D5所示。



3 實(shí)際效果與誤差分析
    將設(shè)計(jì)的太陽(yáng)跟蹤器應(yīng)用在太陽(yáng)能發(fā)電中。從2010年4月某天早上8：00工作至下午17：00，典型誤差測(cè)量結(jié)果如圖6所示。由于機(jī)械結(jié)構(gòu)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等的誤差，以及外界不確定環(huán)境(如大風(fēng)等)的影響，跟蹤角度存在無(wú)規(guī)律性誤差，但總體來(lái)說(shuō)誤差可以控制在±O．05°之內(nèi)。
實(shí)踐運(yùn)行情況表明，太陽(yáng)跟蹤器實(shí)現(xiàn)了高精度跟蹤，年平均發(fā)電量比固定式高了20％～40％，比普通單軸式高出約25％?？梢?，該設(shè)計(jì)方案能夠使光伏發(fā)電效率大大提高。



結(jié)語(yǔ)
    本文對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)中太陽(yáng)跟蹤器的跟蹤原理進(jìn)行了研究，闡述了基于TMS320F2812的太陽(yáng)跟蹤器的軟硬件設(shè)計(jì)方法。采用該設(shè)計(jì)方案后，跟蹤精度高，成本相對(duì)較低，便于操作，性能穩(wěn)定可靠，大大提高了光伏發(fā)電效率，具有較高的實(shí)用價(jià)值。