光电跟踪技术范文

【关键词】太阳跟踪；光电检测；自动定位

1.前言

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术。然而它也存在着间歇性、光照时间和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提高了更高的要求[2]。目前很多太阳能电池板阵列基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电率低下。据试验，在太阳能光发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的[3-4]。

按照不同的分类方法，太阳跟踪方式通常有传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪（程序控制），还有单轴跟踪和双轴跟踪。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光是否偏离，当太阳光偏离时，传感器发出偏差信号，经放大运算后，控制执行机构重新对准太阳光。这种跟踪方式的优点是灵敏度高，缺点是受天气影响大，阴雨天无法对准太阳，甚至引起执行机构的误动作。视日运动轨迹的跟踪（程序控制），是根据太阳的实际运行轨迹按预定的程序调整跟踪太阳，这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，但其精度比较低。单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角做季节性调整，双轴跟踪是在方位角和高度角两个方向跟踪太阳。

本文提出一种新型的基于单片机的太阳光自动跟踪系统设计方案，该系统采用传感器跟踪方式，实现方位角单轴一维机械跟踪。不仅能自动跟踪太阳光方向来调整太阳能电池板朝向，结构简单、成本低，而且在跟踪过程中能自动记忆和更正不同时间的坐标位置，不必人工干预，特别适合天气变化比较复杂和无人值守的情况，有效地提高了太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。

2.系统设计

本文是基于单片机的太阳跟踪装置设计，将控制器分为软硬件两部分来设计与调试，实现了太阳跟踪的基本功能。

太阳自动跟踪装置主要是由光电检测电路[5]、机械跟踪定位系统、单片机控制系统等几部份组成。电源电路采用5V/500mA的集成稳压电源，输出高电平和低电位；机械跟踪系统主要由支架、两个转动轴、直流电机；单片机选用低损耗、高性能、COMS八位微处理器AT89C52，片内有8K字节的可擦写存储器，4组I/O口。

主控制单元主要完成：过滤干扰，定时器每隔一段时间采样一次用数组进行缓冲过滤掉干扰；计算功能，计算电机转动的角度；控制功能，编程控制手动、自动调整，控制电机的正转与反转。

2.1系统总体设计

主要通过微机处理器对光敏二极管采集的信号来驱动直流电机的正转、反转、速度等进行控制，从而对跟踪太阳的控制，本设计采用的是被动式太阳跟踪。其系统结构如图1所示。

2.2硬件总体设计

该系统通过单片机、光传感器、电机以及硬件电路板等板块的组合运用来控制太阳能的跟踪，达到和太阳形成同步运动的目的，从而提高太阳能的利用率。该系统主要包含的模块有：单片机控制模块、光敏传感器模块、电机驱动模块、按键调整模块等模块。系统结构框图如图2所示。

2.3软件总体设计

根据一维坐标系，自动跟踪装置具有一个垂直的转轴，即垂直轴，垂直于水平面，传感板围绕垂直轴转动实现方位角的变化[6-9]。本系统为软硬件相结合的设计，在硬件的基础上用软件实现一些功能。软件实现的主要功能：过滤干扰，定时器每隔一段时间采样一次用数组进行缓冲过滤掉干扰；计算功能，计算电机转动的角度。系统的状态调整需要三个调整键，分别为手动/自动切换、电机正转、电机反转。

本系统的软件由以下几个部分组成：系统初始化模块、扫描按键、自动跟踪模块、电机驱动模块。系统初始化模块主要由软件实现，如图3所示：

2.3.1系统初始化模块

系统初始化模块主要确定跟踪装置机械结构的基准位置。机械运动部件运动到基准位置后，触发开关向控制端口发送电平信号，单片机收到消息后立即终止驱动脉冲的发送。这种模式主要是针对系统工作异常和日落后系统自动返回基准位置设置的，也可以减小因机械结构的加工和直流电机的传动而产生的误差积累。

2.3.2自动跟踪模块

自动跟踪模块是由8个光敏二极管组成的一个传感器[10]。如图4所示，將传感器分成两个区域，具体是光敏二极管D2、D3、D4为一组，D5、D6、D7为一组，形成左右各一区域的状态，将此检测板用两个不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径要正好圈住三个光敏二极管。圆柱体的上方中央开一个与检测用的光电二极管直径相同的洞，以让光线通过。传感器检测部分实现的功能是能准确判断是左偏还是右偏，当两个区域都有信号时为正对，电机不转。如果有一个区域的传感器信号被遮挡则产生相对应的动作，即采集的信号利用运放放大信号传送给单片机，单片机根据采集的信号分析电机是否转，转的话，是左转还是右转。

2.3.3按键电机驱动模块

电机驱动模块是由按键扫描完成和单片机控制同时完成的。主要由单片机控制单元以软件形式完成，再由按键辅助完美化。在本系统中，选择的电机是5V的直流电机，其本身有很大的磁场，对继电器有很大的工作干扰，所以使用的是桥式驱动。本系统中共有三个功能键：分别为手动/自动切换、电机正转、电机反转。

3.结束语

本文以单片机为核心，设计了基于方位角单轴一维机械跟踪定位的太阳跟踪定位系统。该系统应用了太阳辐射与环境亮度的比较，使得该自动跟踪系统的准确性、可靠性强，在晴天检测过程中能实时回存正确的时间和角度数据，消除因季节变化而产生的积累误差。在阴天时能自动转动到以前晴天时的位置。即使是在天气变化比较复杂的情况下，系统也能正常工作，提高了太阳能的利用效率。

参考文献

[1]张正伟.传感器原理与应用[M].北京:中央广播电视大学出版社,1991,4.

[2]梅开乡.太阳强光自动跟踪装置的设计[J].太阳能,2006,(03):26-29.

[3]候长来.一种太阳自动跟踪装置的设计[J].仪器仪表用户,2005,(02):141-143.

[4]孙茵茵,鲍剑斌,王凡.太阳自动跟踪器的研究[J].机械设计与制造,2005,(07):11-13.

[5]吕海宝.激光光电检测[M].国防科技大学出版社,2004,1.

[6]郑小年,黄巧燕.太阳跟踪方法及应用[J].能用技术,2003,24(4):8-10.

[7]M.J.O'Neill,A.J.McDanal.The25kilowattsolarrow:abuildingblockforutility-scaleconcentratorsystems[J].25thIEEEPVSC,May1996,WashingtonD.C.,pp.1529-1532.

[8]吕爱民.光斑模式对PSD定位的研究[J].激光技术,1998,22(5):29-30.

[9]刘振起.太阳能集能器自动跟踪装置[J].节能,2003,9:22-24.

光电跟踪技术范文篇2

【关键词】投影;自动跟踪;精度检测

0.引言

传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，同时全球还有20亿人得不到正常的能源供应。这个时候，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。这之中太阳能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源。因此太阳能光伏发电系统是一个重要的发展方向；但对于某一个固定地点的太阳能光伏光热系统，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，阳光日照角度时刻都在变化，如果光伏组件能够时刻正对太阳，效率才会达到最佳状态，所以需要太阳能电站自动跟踪式控制系统来完成。

太阳能自动跟踪电站精度的测试是繁琐的，如何高效、简便的测试太阳能自动跟踪电站精度，是每个太阳能自动跟踪电站使用者正在探索的。而本文论述的一种太阳能自动跟踪电站精度测试仪设计，则解决了这个问题，从而简便、准确的测试电站跟踪精度。

1.太阳能自动跟踪电站精度测试仪的工作原理

图1

太阳能自动跟踪电站精度测试仪是根据投影原理工作的，如图1，上下小孔的直径大小是一直的，根据上下间距H的距离，当上孔的投影D与下孔边缘相切时，就可以推算出偏差角度α的数值。这种方法简单方便，对于精度一目了然，增加了太阳能工作站精度测量的操作性和实用性，提高了跟踪精度测量的工作效率。

2.太阳能自动跟踪电站精度测试仪的结构设计

图2

如图2，太阳能自动跟踪电站精度测试仪具有上透光板，下投影板，四个支柱。上透光板设有大小不等的20个透光孔，下投影板设有与上透光板中透光孔位置相同大小相等的一一对应的20个透光孔。将精度测试仪垂直安装在跟踪电站表面，根据太阳光投影原理特性，依据上透光板、下投影板之间的距离，当光通过上透光板一个光孔透过时，会在上透光板产生投影。当上透光板对应的下投影板光孔周围没有投影，说明太阳光垂直从上透光板与下投影板穿过，此时太阳能自动跟踪电站跟踪精度为0度，如果上透光板0.1度光孔的投影与下投影板0.1度光孔相切，说明此时太阳能自动跟踪电站跟踪偏差角度为0.1度。依次类推，其他精度的测量只要跟据相应上透光板光孔与下投影板光孔的投影情况，便可准确读出。

假设上透光板，下投影板距离为200mm，透光孔直径与测量偏差角度对应如下：

3.结论

按此方法设计的太阳能自动跟踪电站精度测试仪，与昂贵的CDD光检测设备比较，不但价格低廉，不需要复杂的调试，操作简单，一目了然，测量准确，适合大范围使用。

【参考文献】

［1］蒋新胜.探测传感器在视景系统的应用[D].南京:理工大学工程兵工程学院,2000.

［2］陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程,2003,(3),18-21.

［3］宋开峰.新型太阳跟踪装置机构的研究［D］.［硕士学位论文］.天津：河北工业大学，2004（1）.

［4］赵争鸣,刘建政,孙晓英等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

［5］沈辉.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

光电跟踪技术范文

关键词:光伏并网系统;最大功率点跟踪;移相全桥软开关;DC/AC逆变;PSpice仿真

中图分类号:TM774文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)12-0185-03

SimulationResearchonPhotovoltaicGrid-connectedSystemBasedonPSpice

FANGBo,WANGYe

(SchoolofElectricalandInformationEngineering,XuchangUniversity,Xuchang461000,China)

Abstract:DC/DCandDC/ACtopologicalstructuresisadoptedtostudyanddesignthePVgrid-connectedsystem.Theclosed-looptrackingforMPPTisrealizedwiththeimprovedconstantvoltagetrackingmethod.ThePWMcontrollerisintroducedintothegrid-connectedinverter.TheSPWMvoltagecontravarianceandwaveformtrackingcontroloftheoutputcurrentareimplementedbytrianglewavecomparisonmethod.Basedonvoltageandcurrentinterloops,thepowerouterloopissetupforthepowerbalancebetweenthestagesandenergymanagement.ThePVgrid-connectedsystemissimulatedwithPVcellarraymodelbasedonPSpice.ThesimulationresultsshowthatthePVmodelbasedonPSpicecaneffectivelysimulatethebehaviorcharacteristicsoftheactualPVgrid-connectedsystemandPSpicesoftwarecanbeusedforPVpowersystemsimulation.

Keywords:PVgrid-connectedsystem;MPPT;SP-FB-ZVS;DC/ACinvert;PSpicesimulation

0引言

由于光伏电池的特殊性质,在光伏发电系统的研究开发过程中,整个系统的优化设计十分重要,利用计算机对系统进行仿真和辅助设计对于在技术上确定和改善系统的性能、整定元器件参数、分析启动和失效等极端情况、优化控制策略,以及在经济上缩短研发周期、降低开发成本等方面都有着重要的意义。可用于光伏系统的仿真平台软件有Matlab,SIMPLORER,PSIM等,这些仿真软件各有各的特点和适用范围。

PSpice是一款功能强大、应用广泛的电子电路仿真软件,具有元器件丰富、支持数/模混合仿真、使用方便等优点[1-2]。本文将PSpice仿真软件引入到光伏发电系统,将PSpice仿真模型用于光伏并网发电系统的模拟。

1光伏并网发电系统的拓扑结构[1,3-4]

光伏并网系统的拓扑结构有单级式并网、两级式并网和多级式并网等,单级式并网拓扑在一个功率变换环节实现升压、最大功率点跟踪、DC/AC逆变以及光伏电池和电网之间的隔离,结构紧凑,但存在电池电压纹波较大或没有能量解耦环节、效率低等缺点。多级式并网拓扑能同时实现逆变桥低开关频率、DC/DC变换器正弦半波直流输出、光伏电池与电网间能量解耦等多种功能,但存在结构复杂、成本增加等缺点。在此采用DC/DC和DC/AC两级拓扑结构,其中DC/DC变换采用移相全桥软开关(PS-FB-ZVS)工作方式,并通过控制电路实现光伏电池最大功率点跟踪、光伏阵列与电网隔离、闭环恒压、功率管软开关等功能。DC/AC逆变采用电压源型自换相逆变并网方式和双极性SPWM逆变工作方式,通过控制电路实现正弦电流输出和并网功率因数为1。两级式光伏并网拓扑结构图如图1所示。

图1两级式光伏并网拓扑结构

2两级式光伏并网系统的控制策略[1,4-5]

由于光伏电池的特殊特性和对并网电流的特定要求,以及实现最大功率点跟踪的要求,光伏并网系统的控制策略和控制方式是实现整个系统优良性能的关键,本文两级式光伏并网系统的控制策略如图2所示。仿真电路模型如图3所示。

图2两级式光伏并网系统的控制策略

图3PCpice仿真电路图

图2中全桥DC/DC变换电路实现光伏电池最大功率点跟踪,最大功率点跟踪方式有恒定电压跟踪法(CVT)、扰动观测法、电导增量法、“上山”法等。这些方法各有特点,本文采用改进的定电压跟踪法(CVT)实现最大功率点闭环跟踪。通过检测光伏阵列输出电压与给定电压的比较控制全桥DC/DC变换器的占空比来实现恒定电压闭环控制。DC/AC逆变采用电压源型逆变并网技术,将PWM控制器引入并网逆变中,采用三角波比较方式实现SPWM电压逆变和输出电流的波形跟踪与控制。同时,为了实现逆变输出电流对电网电压的相位跟踪,保证并网功率因数为1,需要对电网电压相位进行检测并实现逆变给定正弦电流对电网电压相位的跟踪。在DC/DC变换的电压内环控制和DC/AC电流内环跟踪控制的基础上将光伏阵列最大实时输出功率和并网逆变器输出功率进行比较,让逆变输出功率去跟踪太阳能光伏阵列的最大发电功率,实现系统前后级功率平衡和能量管理,确保系统工作的稳定性。通过在DC/DC变换后高压直流母线上并联一个电容C或蓄能电池,可以很好地实现前后级能量解耦,使前级DC/DC变换的恒压闭环控制和后级DC/AC逆变的闭环电流跟踪控制相对独立,系统运行将更加稳定可靠。

3基于PSpice的光伏并网系统仿真[2,6]

基于上述两级式光伏并网发电系统拓扑结构和控制策略,采用PSpice仿真平台建立的光伏并网系统仿真电路模型如图3(a),(b)所示。仿真模型的技术参数如下:

输入:光伏电池组件1组(标准条件下峰值工作电压17.5V,峰值工作电流350mA,峰值功率6W)。

DC/DC:17.5V/80V,开关频率100kHz。

输出:AC50V,120mA,50Hz正弦波,图3(a)中,光伏电池PVARRAY的仿真模型根据硅型光伏电池的物理结构构建[3,6],Q1,Q2,Q3,Q4构成H桥,L1,L2J,L3Ч钩筛咂蹈衾肷压变压器,变比n1:n2=1∶6,高频逆变后的PWM波经D166,D167,L5全波整流滤波后对蓄能电池组V1充电。U33等构成全桥移相控制电路[7],U22及其电路构成PI型闭环调节器,R4,R5分压电路对光伏电池输出电压取样后与给定电压V12比较后由控制器给出H桥4只开关管的移相驱动信号对主电路进行移相控制,实现光伏电池恒定电压跟踪和功率开关管的软开关,从而达到光伏系统高效率、低损耗的目的。图3(b)中,Q5,Q6,Q7,Q8为逆变H桥,L30为滤波电感,V77为电网单相电源模型。设电网电压为理想正弦波,则逆变控制器只需让并网逆变器的输出电流去跟踪该电压波形即可,即让电网电压取样作为逆变电流的给定,而给定的幅度由并网发电功率决定。U137,U19A,U170A等构成三角波比较型SPWM逆变控制电路。其中,U19A及其电路组成PID闭环调节器,通过调节C6,C217,R111,R770等参数可以改善逆变电流对输出电压的跟踪性能,本文中取C6=30nF,C217=9nF,R111=30Ω,R770=2kΩ。

图4为光伏电池CVT控制的输出电压和输出电流仿真波形。图5为DC/DC变换器的隔离变压器原边电压和电流仿真波形。图6为DC/AC逆变器输出电流跟踪电网电压相位的仿真波形。

图4光伏电池CVT控制的输出电压和输出电流仿真波形

图5DC/DC变换器的隔离变压器原边电压和电流仿真波形

图6DC/AC逆变器输出电流跟踪电网电压相位的仿真波形

4结语

本文采用PSpice仿真平台构建了光伏并网系统模型并进行了仿真研究,仿真结果表明,本文光伏并网系统采用全桥DC/DC变换、全桥DC/AC逆变两级式拓扑结构能够较方便地实现光伏并网控制,通过两级间引入蓄能电池(或电容)能够较好地实现前后级之间的解耦控制,采用恒定电压跟踪在一定程度上实现了最大功率点跟踪,并且实现方法简单可靠。采用三角波比较闭环跟踪PID控制能够较好地实现双极性SPWM逆变及并网电流对电网正弦电压波形的跟踪,在电网电压波形较理想的情况下,可将电网电压取样波形作并网逆变电流的给定,从而大大简化逆变输出电压、电流相位跟踪的设计。在DC/DC电压闭环和DC/AC电流闭环的基础上通过对光伏电池输出功率和逆变并网输出功率的比较和跟随,对DC/AC的输出电流和功率进行调节,能够使光伏并网系统运行稳定。

参考文献

[1]赵争鸣,刘建政.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.

[2]贾新章.orCAD/PSpice9实用教程[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999.

[3]沈辉,曾祖勤.太阳能光伏发电技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[4]王长贵,王斯成.太阳能光伏发电实用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[5]郑诗程.光伏发电系统及其控制的研究[D].合肥:合肥工业大学,2005.