一種新穎的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
經(jīng)濟(jì)發(fā)展與能源日益短缺的矛盾一直都是現(xiàn)代社會(huì)面臨的一大難題，資源的緊缺和能源成本的持續(xù)增長(zhǎng)使得眾多發(fā)達(dá)國(guó)家將注意的目光轉(zhuǎn)向了新能源，其中太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用備受重視。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由太陽電池板(組件)、控制器和逆變器三大部分組成。其中控制器即為太陽能追蹤采集系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)太陽能電池板追蹤太陽方向，使太陽光線始終能垂直照射太陽能電池板，以實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電最大化的機(jī)電控制裝置，是太陽能光伏發(fā)電不可缺少的重要組成部分。
目前，太陽追蹤的控制系統(tǒng)劃分不外乎三類：閉環(huán)、開環(huán)、混合控制方式。實(shí)際應(yīng)用中，常用的有光電追蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤兩種方式；前者是閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，后者是開環(huán)的程控系統(tǒng)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤的優(yōu)點(diǎn)
是能夠全天候?qū)崟r(shí)追蹤，但算法復(fù)雜且固定，導(dǎo)致處理速度慢，追蹤軌跡固定，不能因地制宜、因時(shí)制宜地對(duì)太陽進(jìn)行快速追蹤；光電追蹤靈敏度高，但受天氣的影響很大，甚至?xí)鹫`動(dòng)。
本文提出一種基于MSP430單片機(jī)的太陽能追蹤采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，綜合光電追蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤，即混合控制方式，其特點(diǎn)是在進(jìn)行軌跡追蹤時(shí)并不需要像單一視日運(yùn)動(dòng)追蹤方式采用復(fù)雜算法，從而減少控制器運(yùn)算時(shí)間，提高處理速度；同時(shí)又避免了光電追蹤方式的誤動(dòng)。能夠根據(jù)時(shí)鐘時(shí)間和光電檢測(cè)自動(dòng)調(diào)整硅太陽能電池板的方位角、俯仰角，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，而且可以通過無線射頻通信實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，特別適合在復(fù)雜環(huán)境無人值守情況下，有較好的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)組成及設(shè)計(jì)
太陽能追蹤采集系統(tǒng)由無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端、無線數(shù)據(jù)接收端和機(jī)械裝置端三大部分組成，又可細(xì)分為微控制模塊、電機(jī)控制模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊、溫度檢測(cè)模塊、太陽能充電模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、無線射頻模塊、電源電路模塊、液晶顯示模塊、串行通信模塊和鍵盤控制
模塊等11個(gè)功能模塊，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端中的光強(qiáng)、時(shí)間、溫度等檢測(cè)模塊會(huì)把太陽光照強(qiáng)度、天氣溫度、時(shí)鐘時(shí)間、電池充電狀態(tài)等信息采集到微控制器模塊，通過對(duì)白天黑夜、天氣晴陰的辨別以及此刻的時(shí)鐘時(shí)間，微控制器模塊會(huì)適時(shí)地驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制模塊，調(diào)整機(jī)械裝置端，實(shí)現(xiàn)太陽能自動(dòng)追蹤的控制。
同時(shí)無線數(shù)據(jù)發(fā)送及控制端又會(huì)把這些采集來的信息通過無線射頻模塊發(fā)送到無線數(shù)據(jù)接收端，然后上傳上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)控。
1．1 光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí)，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。而硅太陽能電池板實(shí)際上也是一個(gè)大面積的PN結(jié)，把太陽幅射能直接轉(zhuǎn)換成電流，原理和光電二極管一樣。
光強(qiáng)度檢測(cè)模塊包括兩部分，一個(gè)是利用光電二極管光強(qiáng)感應(yīng)對(duì)天氣晴陰的判斷，如圖2(a)所示；另一部分在太陽能充電模塊中，對(duì)硅太陽能電池板上受到的陽光照射強(qiáng)度的測(cè)量，如圖2(b)圈起部分。光電二極管對(duì)光強(qiáng)的敏感產(chǎn)生相應(yīng)大小的電流，電阻R10把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過MSP430單片機(jī)的AD1212位模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣出相應(yīng)的電壓值，相應(yīng)的也就得到該時(shí)刻光強(qiáng)度，用以判斷天氣的晴陰。硅太陽能電池板是電流型的，隨著光強(qiáng)的增強(qiáng)其輸出的電流強(qiáng)度亦會(huì)增加，根據(jù)這一特點(diǎn)，運(yùn)用AD12，在太陽能電池板隨太陽動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)時(shí)可以記錄各個(gè)角度的光強(qiáng)度，產(chǎn)生光照強(qiáng)度系列值，然后再把太陽能電池板精確調(diào)整到光照強(qiáng)度最強(qiáng)的方位角和俯仰角的位置上。

1．2 太陽能充電模塊設(shè)計(jì)
如圖2(b)太陽能充電模塊的電路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)主要圍繞太陽能電池供電的鋰電池充電管理芯片CN3063進(jìn)行，應(yīng)用5～6 V硅太陽能電池板可為單節(jié)4．2 V鋰電池或鎳鋅電池充電。D5，D4是充電狀態(tài)的指示燈，D5是紅色LED表示正在充電，D4是綠色LED表示充電完成；為了詳細(xì)了解電池電量狀況，利用MSP430中12位ADC對(duì)電池兩端電壓、電流進(jìn)行A／D采樣，確定電量從空到滿的5種狀態(tài)(如圖3，在液晶屏上顯示)；P6.2，R7，R8是用作對(duì)硅太陽能電池板進(jìn)行光強(qiáng)測(cè)量的，J6是太陽能電池板的充電接口。

1．3 無線射頻模塊設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，系統(tǒng)采用Nordic Semiconductor ASA公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905，設(shè)計(jì)了無線射頻模塊來實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。單片機(jī)通過軟件模擬SPI傳輸方式和nRF905通信，把外界采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。nRF905與MSP430接口電路如圖4所示。