太陽能跟隨器在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

引言

光伏發(fā)電技術(shù)是一種可再生能源技術(shù)，而光伏發(fā)電太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率是人們一直關(guān)注的話題。本文以當(dāng)前廣泛研究的光伏發(fā)電技術(shù)在沼光一體化系統(tǒng)中的應(yīng)用為對象,旨在研制一種構(gòu)造簡單、成本低、精度高、實(shí)用性強(qiáng)的太陽能跟隨器，用以提高系統(tǒng)中原有太陽能電池板的太陽能轉(zhuǎn)換效率。

1太陽能跟隨器在系統(tǒng)中的作用

沼光一體化供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括沼氣池發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、24V直流蓄電池供電單元和物聯(lián)網(wǎng)通信接口及主控單元等四個(gè)部分叫其中，太陽能發(fā)電單元的工作主要由光電轉(zhuǎn)換裝置即太陽能電池帆板完成，該部分配裝了太陽能電池帆板的方位角和俯仰角控制裝置，即太陽能跟隨控制結(jié)構(gòu)，配以本文所述的太陽能跟隨器，從而在原有的基礎(chǔ)上提高了該單元的光電轉(zhuǎn)換效率。

2太陽能跟隨器的設(shè)計(jì)

2.1太陽能跟隨器的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)在用于太陽能跟隨的裝置種類比較多，按照其工作原理的不同，太陽能跟隨器主要分為壓差式太陽能跟隨器、控

放式太陽能跟隨器、時(shí)鐘式跟隨器和比較控制式太陽能跟隨器等。

2.1.1壓差式太陽能跟隨器

壓差式跟隨器主要設(shè)計(jì)為密封方形容器，當(dāng)入射太陽能發(fā)生偏斜時(shí)，密閉容器側(cè)面受光面積不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差,在壓力的作用下，使跟隨器重新對準(zhǔn)太陽。該類型跟隨器精度較低，且受溫度影響比較大。

2.1.2控放式太陽能跟隨器

控放式太陽能跟隨器類似流沙計(jì)時(shí)裝置，是在太陽能接收器的西側(cè)放置一重物，作為在陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力，并利用控放式自動(dòng)跟隨裝置對此動(dòng)力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動(dòng)力，使太陽能接收器向西隨著時(shí)間做偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。很明顯該裝置精度很低，且只能控制一個(gè)角度，局限性很大。

2.1.3時(shí)鐘式跟隨器

時(shí)鐘式跟隨器采用定時(shí)法，由電控系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間來控制裝置的俯仰角度，控制精度較高。但是，由于電控系統(tǒng)的時(shí)鐘誤差會(huì)累積并不斷增大，加上白晝時(shí)長等因素的影響，系統(tǒng)的跟隨精度會(huì)下降，因而需要定期調(diào)整，操作不夠便捷。

2.1.4比較控制式太陽能跟隨器

利用光敏電阻在光照射時(shí)阻值發(fā)生變化的原理，將四個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置于太陽能接收器的四個(gè)方向上。裝置跟隨驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證東西兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同即可完成跟隨。該裝置精度較好，電路簡單，但是不能適應(yīng)自然界中光線的變化，實(shí)際跟隨效果不理想。

2.2太陽能跟隨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)將太陽能電池板的跟隨控制分為方位角和俯仰角兩個(gè)測控單元。又考慮到系統(tǒng)采用的電池板及支架重量和刮風(fēng)天氣等因素的影響，本系統(tǒng)的電池板方位角控制采用大功率三相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而俯仰角則采用兩項(xiàng)交流液壓泵控制驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)俯仰角及方位角的控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.3系統(tǒng)跟隨裝置設(shè)計(jì)原理

圖3所示是一個(gè)太陽跟隨裝置的原理示意圖。該太陽能跟隨裝置設(shè)計(jì)為一個(gè)墨黑色方形盒子，頂部正中心開一小孔，小盒子內(nèi)有兩個(gè)環(huán)形排列的16個(gè)光敏電阻，其中心也放有一只光敏電阻，共計(jì)17只光敏電阻。系統(tǒng)電控單元通過多路復(fù)用AD轉(zhuǎn)換的形式可以獲取每個(gè)光敏電阻上的光強(qiáng)度，然后對比各電阻上的光強(qiáng)度，從而控制器可以進(jìn)行響應(yīng)的控制。

系統(tǒng)工作時(shí)，盒子上表面與太陽能電池板放置并保持平行，面向南方擺出約60°的仰角。在跟隨太陽能的位置時(shí)，電池板和太陽的初始狀態(tài)可能如圖3(a)所示，太陽能穿過盒子上表面中心的小孔后照射在外環(huán)側(cè)排列的光敏電阻上。系統(tǒng)電控單元將測得該電阻上及附近電阻受光強(qiáng)較大，通過比較和判斷，該系統(tǒng)將逐步驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的俯仰角和方位角做出調(diào)整,最終達(dá)到如圖3(b)中所示的位置，從而達(dá)到電池板始終保持與太陽能垂直的效果，即實(shí)現(xiàn)了太陽能跟隨的目的。

圖3太陽跟隨裝置原理示意圖

基于以上原理，本系統(tǒng)的太陽能跟隨裝置完全可以避免寒暑季節(jié)、氣溫、風(fēng)速風(fēng)向等外界因素的影響，只要是有太陽的天氣，都能夠精確地找尋到太陽的位置。

2.4太陽能跟隨系統(tǒng)主控電路設(shè)計(jì)

通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理分析，該裝置需要測量17個(gè)AD量，并控制可以驅(qū)動(dòng)大扭矩步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器及液壓泵電磁閥。一般的主控芯片都沒有多達(dá)17個(gè)的AD量采集接口，所以系統(tǒng)選擇兩個(gè)8路單端模擬量多路復(fù)用開關(guān)芯片MPC508,并通過STC12C5A60S2實(shí)現(xiàn)電路的驅(qū)動(dòng)控制功能等。系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖4所示。

2.4.1方位角跟隨機(jī)構(gòu)

系統(tǒng)方位角步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電機(jī)3M2060，額定工作電壓范圍80～220V，可以直接接到沼光一體化系統(tǒng)的沼氣發(fā)電輸出上，其工作力矩大，定位精度高。主控制芯片的三個(gè)I/O管腳分別連接三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)器2M2060的使能、方向、和驅(qū)動(dòng)信號(hào)接線端，從而實(shí)現(xiàn)對太陽跟隨器方位角的調(diào)整。而通過PB3控制固態(tài)繼電器MGR-30323810Z的通斷可控制步進(jìn)電機(jī)的工作，圖5所示為方位角跟隨控制電路原理框圖。

2.4.2俯仰角跟隨機(jī)構(gòu)

該機(jī)構(gòu)通過交流液壓泵實(shí)現(xiàn)太陽能跟隨器系統(tǒng)的俯仰角控制功能，圖6所示為系統(tǒng)俯仰角跟隨控制電路原理框圖。通過控制固態(tài)繼電器的通斷，可以驅(qū)動(dòng)液壓泵的正反轉(zhuǎn)，進(jìn)而控制俯仰角的變化。其中，交流電源跟方位角供電電源一樣，均由沼光一體化系統(tǒng)自發(fā)電供應(yīng)。

2.4.3太陽能跟隨器主控機(jī)構(gòu)

圖7所示為太陽能跟隨器主控制器的PCB實(shí)物正面部分，可見該圖包括光敏電阻陣列、方位角驅(qū)動(dòng)接口、俯仰角驅(qū)動(dòng)接口，其他功能電路略。

3太陽能跟隨器在互聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用

首先，沼光一體化系統(tǒng)是基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)完成的，系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了有線通信及GSM遠(yuǎn)程控制測量反饋功能，對于解決偏遠(yuǎn)山區(qū)或小型手工業(yè)工廠的供電問題具有深遠(yuǎn)意義。

系統(tǒng)安裝時(shí)，太陽能跟隨器面向正南方放置。在晴天有太陽時(shí)，跟隨器本身可以通過智能判斷將太陽能電池板轉(zhuǎn)向正對著太陽的位置,系統(tǒng)響應(yīng)迅速且精度很高。在陰雨及黑夜時(shí),系統(tǒng)的遠(yuǎn)程測控能通過有線互聯(lián)網(wǎng)或無線GSM網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前的時(shí)間信息發(fā)送給太陽能跟隨單元，該單元可根據(jù)此信息做出俯仰角和方位角的大致調(diào)整，從而在保證系統(tǒng)工作可靠性的情況下，提高太陽能跟隨的準(zhǔn)確度和太陽能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率。

此外，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在沼光一體化系統(tǒng)中不僅能遠(yuǎn)程測量和反饋系統(tǒng)各單元的電壓、工作狀態(tài)、輸出端電壓電流值、太陽方位等信息，還能夠控制系統(tǒng)發(fā)電單元選擇啟動(dòng)、停止等動(dòng)作，從而使得系統(tǒng)的工作性能更加可靠，操作更加簡單、便捷和高效。

4結(jié)語

太陽能跟隨器是沼光一體化智能發(fā)電測控系統(tǒng)中不可缺少的一部分，它將比較控制式跟隨器和定時(shí)式跟隨器有效結(jié)合在一起，分別利用了光敏電阻陣列和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，原理簡單,成本低廉，適于大范圍推廣。經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，本系統(tǒng)現(xiàn)有的工作方式很大程度上提高了太陽能跟隨系統(tǒng)的可靠性和太陽能發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率，為進(jìn)一步推廣應(yīng)用沼光一體化發(fā)電技術(shù)奠定了良好的基礎(chǔ)。

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