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单片机控制的“一源多供” 光伏板自动跟踪系统设计与研究论文

发布时间:2023-01-18 10:10:16 文章来源:SCI论文网 我要评论














SCI论文(www.scipaper.net):
 
  摘要:太阳能是绿色能源,广泛应用于多种领域,目前的光伏板安装主要是固定安装,没有时时跟踪太阳光线,所以转化率未达到最佳效果。为了解决固定安装带来导致电能转化率不佳的效果,市场上采用步进电机实现角度调节的自动跟踪装置,需要消耗大量光伏板产生的电能,每套光伏板上需要配备两台步进电机,导致成本高。为了解决上述存在的问题,本文设计出了一种混合驱动的光伏板追踪装置,主要应用于光伏板多,且比较集中安装的地方,可以实现一个动力源给多个跟踪装置提供动力,本装置可以有效地降低驱动能耗和成本、环境适应性强等,可以有效提高光电转化率。
 
  关键词:光伏板;自动跟踪装置;混合驱动;一源多供;单片机
 
  Design and Research of"One Source and Multiple Supplies"Photovoltaic Panel Automatic Tracking System Controlled by Single Chip Microcomputer
 
  OU Jiashun
 
  (Changsha Aviation Vocational and Technical College,Changsha Hunan 410124)
 
  【Abstract】:Solar energy is green energy and is widely used in many fields.The current photovoltaic panel installations are mainlyfixed installations,and there is no constant tracking of the sun's rays,so the conversion rate does not reach the best effect.In order to solve the effect of poor power conversion rate caused byfixed installation,automatic tracking devices that use stepper motors to achieve angle adjustment on the market need to consume a lot of power generated by photovoltaic panels,and each set of photovoltaic panels needs to be equipped with two stepper motors,resulting in high costs.In order to solve the above problems,a hybrid-driven photovoltaic panel tracking device is designed in this paper,which is mainly used in places where there are many photovoltaic panels and are installed in a centralized manner.It can realize a power source to provide power to multiple tracking devices.This device it can effectively reduce driving energy consumption and cost,has strong environmental adaptability,etc.,and can effectively improve the photoelectric conversion rate.
 
  【Key words】:photovoltaic panel;automatic tracking device;hybrid drive;one source for multiple supply;single-chip computer
 
  0引言
 
  随着科技的发展,越来越多的农业机械化以及现代科技装备用于农业上,以提高农产品的产量输出,保障国家粮食安全。其中提高农产品产出的关键因素离不开能源消耗,很显然依旧采用传统的能源提升产量不仅会污染环境,而且会面临能源危机。因此绿色可持续发展的新能源应用于农业生产是未来的发展方向,太阳能是一种稳定且用之不竭的清洁绿色能源,受到地理因素影响小,且安装方便等[1-3],因此光伏发电广泛用于农业生产[4]。虽然光伏发电已经广泛应用农业生产当中,但是目前的光伏板基本都是固定安装,不能随着太阳光线转动,从而未能达到光电转化率最佳的效果。研究数据表明一般的晶硅太阳能电池组件的光电转换率在20%到26%之间,新一代光伏板材料的理论极限最高也只能达到33%,可见光伏板光电转化率饱和光照条件下并不是很高,如果采用固定安装,则转化率更加低,从而影响农产品的产量输出。有研究表明,相对固定安装,采用自动跟踪装置使得光线与光伏板时时垂直,最高可以提升34%的光电转化率。因此研发农业光伏板自动跟踪装置,提高光电转化率,从而提升农产品的产量,有着重要的意义。但是目前虽然有自动跟踪装置,但是采用电机驱动,需要在每一套光伏板上安装两个电机,实现东西南北方向角度调节,需要消耗大量的光伏板电能。以光伏农业为例,光伏板安装比较多,且比较集中,若每一块光伏板都需要电机驱动,那么成本相对较高,能耗也过大。为解决比较集中安装的光伏板自动跟踪,本文将根据国内外现状分析,结合现有的相关技术水平,将设计出一种成本低廉,环境适应性强、可以实现“一源多供”、便于维护等优点的混合驱动的农业光伏板自动跟踪装置。

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  1国内外研究现状
 
  国内外对光伏板的跟踪装置都有研究,也取得了一定的成效,但是应用推广存在技术瓶颈,因此未能广泛运用。Vinayak Narasimhan[5]利用调棱镜面板实现光线改变,即使太阳角度变化,光伏板不转动,也可以使得光线最大程度上的照射到光伏板上,可使太阳能达到最大程度的吸收,但是该调棱镜面板制造成本高,也不是使得光线保证垂直照射,因此也是未能达到最佳转化。Flávia V.Barbosa和Hassan Fathabadi[6,7]设计了一种高精度无传感器的开环控制算法的太阳能自动跟踪装置,根据太阳一天中某一时刻的高度和经纬度,算出光伏板的角度朝向,可以有效提升双轴跟踪器的精度,但是该跟踪装置需要安装两个步进电机,以驱动角度调节。J.Parthipan[8]利用两个传感器,设计了一种闭环控制的单轴自动太阳跟踪系统,但是仍然需要电机驱动调节。Taehoon Hong和Rashid Ahammed Ferdaus[9,10]设计了一种采用基于太阳能映射规律和基于光电传感器的连续跟踪机制,其驱动方式还是经过电机驱动。崔之超[11]研发了一种并联型太阳能自动跟踪装置,利用三个铰链并联支撑光伏板,虽然优化了传动机构,但是三个支撑杆的伸缩需要电动伸缩缸驱动,增加了1个电机驱动消耗的能量。张屹[12]设计了基于GPS定位的太阳能板自动追光系统,可以根据GPS定位,时时调节角度,跟踪精度和稳定性明显提高,其采用了电机驱动。董士韦[13]设计了一款太阳能电池板双轴自动跟踪系统,以AT89S52单片机为控制核心,采用了闭环的电机驱动,以实现角度调节。高翔[14]研发出了可自动追日太阳能巡更机器人,利用光伏电池板与蓄电池开发完成了一个自动追日巡更机器人,利用“向日葵”算法可最大程度确保光伏电池与太阳光始终成直角,以获得最大发电效率。
 
  从上述分析可知,现有的自动跟踪装置控制算法成熟,但是动力驱动基本都是采用步进电机驱动,需要消耗较多光伏板自身转化的电能,每块光伏板上基本都要安装,对于单轴则需要1个步进电机,双轴则需要2个步进电机,驱动装置过多,成本相对较大。且电机对于环境要求高,对于潮湿、雨水、高温等环境,容易造成电机损坏,后期维护成本大。光伏农业或者农村屋顶多块光伏板的集中安装,显然成本问题过大。
 
  2整体结构及其关键部位设计
 
  为了克服现有光伏板自动跟踪装置需要安装较多电机驱动的缺点,本装置将打破传统的步进电机驱动方式,采用了气力式驱动,可以有效减少驱动装置多的成本,并且有效地减少驱动消耗的电能,该装置可以实现一个动力源装置为多个光伏板跟踪装置提供动力。为了增加装置的抗风稳定性,本装置采用了单轴气力驱动结构,装置的整体结构及关键部位如图1所示,主要由固定板安装支架、单片机模块、安装板、销钉、气缸、气管接口、活塞杆、光敏传感器部分、光伏板、气管接头、二位二通电磁阀等组成。气缸和活塞上下端分别通过销钉与光伏板和安装板安装连接,可以实现伸缩转动。双作用气缸的有杆腔和无杆腔进出气口处分别安装了一对二位二通常闭型电磁阀(如图1局部放大图所示),其中二位二通电磁阀1的气管接口连接气源,二位二通电磁阀2的气管接头直接与大气相通。光敏传感器左右对称分布安装在太阳能板左右边缘底部,并且在都安装在V形曹中(如图1局部放大图所示),防止侧面光线的对传感器的干扰,从而避免单片机错误判断光线角度,因此具有一定的抗干扰性。太阳能板可以通过太阳能板固定支架绕轴转动。

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  气缸有杆腔和无杆腔处电磁阀接口与气源的连接原理图如图2所示,二位二通常闭电磁阀1和3的接口与气源连接,二位二通常闭电磁阀2和4的气管接口与大气相通。气源分为气泵和热膨胀气源2种,气泵出气口处装配有二位二通常闭电磁阀5。当光照足够强的时候,气泵不给气缸供气,热敏材料气缸被凹透镜聚集的光线加热,使得内部气体膨胀,热敏气缸的内部的热膨胀气体给伸缩缸提供伸缩动力。
 
  当光照能量强度比较弱的情况下,热膨胀气体不能驱动伸缩缸运动,单片机控制模块通过光敏传感器接收光照强度及其接收光照时间进行分析判断,需要打开如图2所示中的电磁阀5给伸缩缸供气,从而驱动伸缩气缸内部的活塞伸出或者缩回,使得光伏板角度能够进行调节。其中节流阀可以调节气体进入气缸的速度,以控制活塞杆伸缩灵敏度。本系统可以实现一个气源可以给多套本文设计的气动自动跟踪装置提供动力,实现“一源多供”,从而减少每套需要电机驱动的缺陷,采用气力传动可以进行远距离输送,气管安装方便,便于管理和维护。
 
  3动力源设计及其可行性分析
 
  根据设计思路,本装置伸缩缸的动力来源分为2种,分别是采用热膨胀的动力源和气泵。
 
  采用热膨胀动力源的设计及其分析,在密闭环境下,体积不变,温度越高,空气分子运动的越强烈,压强越大。由理想气体状态方程可知:
 
  pV=nRT
 
  式中:P为压强(Pa),V为气体体积(m3),T为温度(K),n为气体的物质的量(mol),R为摩尔气体常数(J/(mol.K))。
 
  由理想气体方程可知,当热敏气缸被加热,则内部温度T会增加,由于体积n、R没有变,所以内部压强P和体积V会相应的变大,缸内部气体膨胀,压强足够给伸缩气缸提供动力。如图2所示,为了提高热力气源的灵敏度,采用凹透镜的聚光原理,可以快速对热敏材料的气缸进行快速加热,从而使得气缸内部的气体膨胀,所以在强光照条件下气缸内的热膨胀气体压强足够大可以驱动伸缩缸活塞伸出与缩回。这种动力源在太阳光照能量比较强的情况下使用,可以减少驱动所需要的电能消耗。热敏材料气缸内部的压强主要是跟太阳辐射能量和周围环境温度有关,一般太阳辐射能量和周围环境温度越高,那么内部压强越大,提供的动力越充足。

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  4单片机控制工作原理设计与分析
 
  4.1气缸伸缩控制原理设计
 
  缸伸缩供气的控制算法设计,结合图1和图2进行设计与分析,如果光伏板左边的光敏传感器感受到的光照强度大于右边光敏传感器的光照强度,左右两边光照强度差值大于单片机程序设定值,且这个差值维持一定时间t1,其中时间t1大于单片机内部算法的时间T1,则判断光线与光伏板不在垂直,而是偏向于左边,那边单片机模块给对应的电磁阀发送指令,相应的电磁阀线圈得电,二位二通电磁阀由常闭变成常开。如图2所示单片机控制模块发送指令,控制图2中二位二通电磁阀1和阀4线圈得电,从而使得常闭状态变成常开状态,那么有杆腔与气源相通,实现进气,无杆腔与大气相通,实现排气,活塞向里面缩回,从而带动光伏板向左旋转一定角度,当转过一定角度时,那么左右两边的光敏传感器接收到的光照强度值相差不大,则判断光伏板与光线垂直,那么单片发生指令,控制二位二通电磁阀1和阀4线圈失电,关闭电磁阀,保证光伏板与太阳光线时时垂直,提升光电转化率。反之如果光照照射到西边的光敏传感器,那么开启的阀为阀2和阀3,实现向右边旋转。

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  4.2气源切换原理设计分析
 
  气源切换的控制原理分析,在光照比较充足的条件下,本装置的气源来源采用基于空气热力学的热膨胀原理进行驱动,当密封容积里面的气体被加热后会膨胀,从而驱动执行机构伸缩,实现角度的调节,从而实现零电能消耗。当太阳辐射能量强度不够时,则热敏材料气缸内部压强不足以驱动伸缩气缸活塞运动,那么其中一边的光敏传感器则被太阳光线长时间照射。气源切换的关键主要是根据两边光敏传感器两边接收到的光照强度差值和照射时间长短进行判断,当两边的光照强度差值大于单片机内部设定的值时,照射时间为t2,该时间t2比单片机内部设定的时间T2要大时,则单片机控制模块进行判断分析,热膨胀气源不足以提供伸缩气缸所需要的压力,则控制图2中的二位二通电磁阀5打开,气泵给伸缩气缸提供气源,从而实现弱光照条件下的角度调节,从而实现驱动能耗最少的效果。上述的时间t1、t2、T1、T2应该满足以下关系:t1<T1<t2<T2。
 
  4.3自动复位控制设计
 
  为能够使得光伏板第二天早晨回到初始位置,在单片机控制模块程序内部设计时钟控制程序,如当每天的时间到达19:00时,单片机发送指令给伸缩气缸供气,使得光伏板回到原点位置,碰到相应的感应开关后,单片机发出指令停止给气缸供气,实现自动复位功能。
 
  5相关技术要求
 
  对于基于热膨胀的动力源,每套光伏板需要安装一套,且尽可能靠近伸缩缸,避免远距离给伸缩缸提供动力时,热量损失从而降低内部压强不足。整个系统的传动基本采用气压传动,所以整体系统的密封性要求较好,为了避免气体泄漏,最好在可能存在泄漏的地方采用相关密封技术,比如活动的地方可以采用油封。
 
  6结论与展望
 
  本光伏板自动跟踪装置采用单轴气力混合驱动,抗风稳定性强,结构简单,在光照辐射量强度较强的情况下,可以通过热膨胀原理为伸缩气缸提供动力,从而实现电能零消耗。在光照辐射量强度较弱的条件下,可以切换气泵供气,且1个气泵可以为多套本项目设计的自动跟踪装置提供动力,实现一源多供,更加适用于比较集中安装的农业光伏板自动跟踪,且采用气动传动,可以实现远距离动力输送和控制,对于户外农业高温、雨水等恶劣环境适应性强。目前该装置已经搭建试验台,并通过仿真分析结果为精度误差为0°~1.8°。后续将对设计的装置继续进行优化,进行相关实际参数的实验,为本装置的产业化生产优化提供有效的数据参考及实现市场推广。
 
  参考文献
 
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