智能采光實時追日的電能管理系統(tǒng)的設計

引 言

太陽能是資源豐富、無污染的能源替代品，怎樣提高對其的利用率逐漸成為各國的研究焦點。太陽能的利用存在以下問題：首先，太陽能雖然資源豐富，但能量分散，集中在某點的能量較少，同時太陽能的方向性決定了較長時間內(nèi)不可能在固定方向一直獲取較大的能量；第二，太陽能受環(huán)境條件的制約，只有在白天太陽光線較好的情況下，才能獲得穩(wěn)定的太陽能；第三，太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率不高，目前世界上太陽能電池板的轉(zhuǎn)換效率最高也只有30％，而國內(nèi)使用的轉(zhuǎn)換效率大都在20％左右。本課題主要針對太陽能利用率低這一問題，利用太陽定位算法以及光敏電阻傳感器反饋法，并通過 Fusion系列單片機模數(shù)混合的FPGA協(xié)調(diào)控制電機，驅(qū)動太陽能電池板實時追日，以提高太陽能的利用率。后續(xù)通過FPGA的PWM模塊對蓄電池進行智能充電和電源管理，最后在開發(fā)板的LCD單元中顯示天氣和電源狀態(tài)信息，并同時通過串口及時反饋相關信息到PC機上。

1 系統(tǒng)設計

1．1 系統(tǒng)整體設計

本系統(tǒng)主要由中央處理單元、智能采光、電源管理和上位機軟件4個部分組成。系統(tǒng)主要實現(xiàn)了太陽能利用率的提高，太陽能的轉(zhuǎn)換和存儲，UPS功能。本設計還提供了對系統(tǒng)的檢測和管理。

如圖1所示，系統(tǒng)包括控制處理單元、電源管理單元、供電和輸電單元(包括太陽能電池板、蓄電池、市電、電能輸出接口)、接口單元、LCD顯示單元、按鍵、指示和報警單元、步進電機驅(qū)動單元和采光單元。利用FPGAAFS600作為控制處理單元，主要通過Verilog HDL硬件邏輯和cote51軟核實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、電機的驅(qū)動控制以及電源管理單元的控制。采光單元和步進電機驅(qū)動單元主要實現(xiàn)采集光強數(shù)據(jù)以及控制機械傳動改變太陽能電池板的方位的功能。電源管理單元與供電和輸電單元實現(xiàn)蓄電池充／供電切換、市電供電和蓄電池供電切換、太陽能充／供電切換、電能變換輸出。

1．2 智能采光的設計

系統(tǒng)提供兩種方式對太陽方位進行跟蹤：光敏電阻陣列自適應控制算法和定位跟蹤算法。其中以光敏電阻陣列自適應控制算法為核心，以定位跟蹤算法為輔助校正。這兩種方式有機結(jié)合，以增強系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾性，使其能更好地適合各種環(huán)境。

1．2．1 光敏電阻陣列

光敏電阻是電阻性傳感器，在所受到的光強度發(fā)生變化時，其電阻值相應變化，可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

(1)陣列布局設計

如圖2右側(cè)所示，P1～P8為光敏電阻，分別布置在圓筒內(nèi)外東、南、西、北四個方位。P1～P4裸露在外，東西對稱的一對(P1，P3)用于粗略檢測太陽方位角θA；另一對(P2，P4)用于粗略檢測太陽入射角θZ；P5～P8在圓筒內(nèi)部，東西對稱的(P5，P7)用于精確檢測太陽方位角θA；另一對 (P6，P8)用于精確檢測太陽入射角θZ。采光板設置了一個保護圓筒，它可以較大程度屏蔽外界環(huán)境的散射光及其他干擾光線，使得外界的干擾光源對跟蹤效果的影響降到較低，提高跟蹤精度。

(2)跟蹤原理

布置在外部的4個光敏電阻P1～P4能反映出當前天氣情況，例如陰天、晴天或者黑夜，從而可以決定是否需要調(diào)整太陽能電池板；布置在內(nèi)部的4個光敏電阻P5～P8用于精細調(diào)整電池板的方位。

當太陽光偏離垂直方向一個較小的角度時，由于受環(huán)境散射光的影響，外部光敏電阻不會反映出太陽光線的變化；而內(nèi)部光敏電阻受到了圓筒對環(huán)境散射光的屏蔽保護，它們接收的照度會出現(xiàn)差值，即偏離信號。當太陽光偏離了一個較大的角度時(陰雨天，烏云過后或者日夜交替)，筒內(nèi)的光敏電阻可能接收不到太陽光，筒外的光敏電阻就能反映出照度差值?？刂茊卧ㄟ^對信號再進行判斷和處理，控制太陽光接收裝置角度的調(diào)整，直到太陽能電池板對準太陽。詳細的自適應跟蹤流程見 2．2節(jié)。

(3)設計參數(shù)的選取

粗略認為太陽在24 h內(nèi)轉(zhuǎn)過360°，本系統(tǒng)設計指標為每半小時跟蹤1次，所以跟蹤的靈敏度為7．5°，即當太陽角度偏轉(zhuǎn)7．5°(θ=7．5°)的時候，光敏電阻P5被遮擋，而P7能被光線照射。此時采光板就要進行調(diào)整，以跟蹤太陽的方位。

根據(jù)實物的布局要求，設定圓桶的直徑D=5 cm，S=O．5 cm。因此，得到內(nèi)部傳感器之間距離為L=(5-2×O．5)=4 cm。上述的參數(shù)選定以后，根據(jù)H=S／tan(θ)，即H=S／tan(2 7c×7．5／360)，把S=O．5 cm代入，最后得到H=3．79 cm。實際中考慮到光線的散射和干擾，選取圓桶高度為6 cm。

1．2．2 定位跟蹤算法

因為地球自轉(zhuǎn)一周為24小時，可以粗略認為太陽每小時自東向西偏移15°(360°／24)，設時角為ω，磁偏角(赤緯角)為э，太陽入射角(天頂角)為θZ，太陽方位角為θA，φ為當?shù)鼐暥取＝?jīng)計算得到：

根據(jù)公式(1)、(2)，考慮到南京經(jīng)度為e118．77，緯度為n32．O，海拔為50 m以下，再參考大數(shù)估計算法和相關的校正參數(shù)，在Matlab中編程計算出太陽方位角和高度角。由于此計算復雜龐大，會大量消耗FPGA的資源，不利于在 FPGA的51軟核下運行?？紤]到本系統(tǒng)只針對南京地區(qū)，地形上忽略海拔和緯度的變化，時間上忽略時區(qū)和分鐘的變化，在Keil C中重新精簡程序，并把前后算法所得數(shù)據(jù)以及實際測量數(shù)據(jù)進行對比描繪曲線，如圖3所示。

圖3為根據(jù)2008年2月19號8：25～16：25每隔1小時南京太陽天頂角θZ和方位角θA以及實際測量的相應值而描繪得出。其中左圖表示太陽方位角 (θA)隨時間變化自東向西偏轉(zhuǎn)的軌跡；右圖表示太陽高度角(90-θZ)隨時間變化的軌跡。通過對比，證明經(jīng)過Keil C的簡化，并未帶來明顯的軌跡偏差，而且定位算法所得到的軌跡與實際測量軌跡基本吻合。這樣便使系統(tǒng)通過自行計算太陽方位來實現(xiàn)追日成為可能。圖中曲線還表明對于太陽方位角和高度角，計算值整體比測量值大，這主要是由于大氣對太陽光折射以及測量的誤差而造成的，在實際調(diào)試中可以做出一定的修正，以改善追日效果。

2 系統(tǒng)流程設計與仿真測試

2．1 系統(tǒng)流程設計

本系統(tǒng)采用前后臺系統(tǒng)。主程序是一個無限循環(huán)，循環(huán)中通過調(diào)用相應的函數(shù)完成相應的操作，而對于與時間關系很強的關鍵操作通過中斷處理完成。主程序軟件流程如圖4所示。

利用該FPGA的core51核作為控制處理單元的核心，通過所提供的帶有模擬功能的AD模塊對多路AD采樣的數(shù)據(jù)進行處理和分析；由core51核配置，門驅(qū)動核輸出，控制電機驅(qū)動的脈沖信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)采光的機械驅(qū)動，從而調(diào)整太陽能電池板的方位。由于太陽光的變化是比較緩慢的，所以影響本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集精度的主要因數(shù)是AD自身轉(zhuǎn)換的誤差以及瞬時強光干擾。系統(tǒng)通過51核用軟件的方法對AD輸入的數(shù)據(jù)進行平滑濾波。

該FPGA還為用戶提供了可編程的脈寬調(diào)制(PWM)核，即可以通過軟件的方式改變輸出脈沖的周期和占空比。其中PWM模塊提供了PWM_addr、 PWM_data輸入信號，用于修改PWM波形的周期和占空比。通過core51核的配置，PWM核輸出PWM控制信號，實現(xiàn)對蓄電池充電的控制。最后通過LCD實時顯示天氣和蓄電池狀態(tài)信息，并通過串口反饋到PC。

2．2 自適應的采光定位流程設計

為了實現(xiàn)的方便，本系統(tǒng)東西方向上對太陽跟蹤的詳細流程如圖5所示(南北方向的跟蹤原理是一樣的)。系統(tǒng)先通過AD采集到外部4個以及內(nèi)部東西方向的2個光敏電阻電壓，外部4路與所設門限比較，判斷當前天氣情況。如果連續(xù)3次采樣值低于黑夜的門限時，則認為是黑夜，系統(tǒng)將停止工作。如果判為陰天，則系統(tǒng)控制太陽能電池板，讓其方位保持不變。如果為晴天，則按照所采到的內(nèi)部兩路光敏電阻電壓差值進行判別，當差值大于所設門限時、則認為電池板方位需要進行調(diào)整。調(diào)整原則為：若東邊電壓值大于西邊，則電池板向東邊轉(zhuǎn)動1．8°；反之，向西邊轉(zhuǎn)動1．8°。調(diào)整以后再返回到數(shù)據(jù)采集，重復上述過程。系統(tǒng)對于太陽方位角度的計算，可以作為一種備用和補充校正方案，即當光敏電阻損壞或者向光采光電路出現(xiàn)故障時，所采到的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)異常(例如長時間的為0或者電壓過高)，可以通過上位機發(fā)命令，用定位算法所得結(jié)果調(diào)整太陽能電池板的方位。

在不同的環(huán)境下反復測試并改善遮光效果，得到內(nèi)電阻采樣電壓再判別晴天、陰天和黑夜的門限分別為6．1 V、5．8 V和0．1 V(采用6．2 V電源供電)；在太陽光偏離一定角度時，內(nèi)電阻因遮光筒遮光而產(chǎn)生的電壓差值在1 V左右；在白天由于突然而來的強光而產(chǎn)生的外部電阻采樣電壓波動在0．2 V左右。通過改變內(nèi)電阻采樣電壓差值門限發(fā)現(xiàn)，門限電壓過低將使得電機轉(zhuǎn)動過于靈敏，浪費電能；門限電壓過高，將導致不能實時追日。最終設門限為0．8 V，達到最佳效果。

2．3 AD的仿真

由于AFS600有16路12位的AD，因此用5位表示通道號，用12位表示對應的數(shù)據(jù)。在設計AD數(shù)據(jù)與core51的數(shù)據(jù)交換中，采用分3字節(jié)的傳輸方式把17位數(shù)據(jù)分高、中、低3個字節(jié)分別傳給core51，測試激勵與仿真結(jié)果，如圖6所示。

av_0為通道1，r_clk為core51的讀命令端口，在一次數(shù)據(jù)有效(DATAVALID產(chǎn)生一個脈沖)分別讀取3個字節(jié)的數(shù)據(jù)。先把十六進制的采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成十進制，除以4 095再乘以8，([D(0x9 c4)／4 095]×8)，計算得到4．88 V，而實際值為5 V，誤差為2．4％。av_1為通道4，同理得到轉(zhuǎn)換結(jié)果為2．91 V，實際值為3 V，誤差為3％。

2．4 上位機軟件

上位機軟件共包括兩個模塊：顯示模塊，負責刷新界面上的狀態(tài)、數(shù)據(jù)等；通信模塊，與MCU進行通信，并且將通信的結(jié)果放入上位機內(nèi)存，調(diào)用顯示模塊刷新界面。上位機軟件通過串口與MCU連接后，若沒有傳遞經(jīng)緯度時間信息的命令，則每隔3 s上位機向單片機請求1次數(shù)據(jù)；若有傳遞經(jīng)緯度時間信息的命令，則優(yōu)先發(fā)送該命令。任何命令發(fā)送給MCU以后，如果1 s內(nèi)沒有收到MCU的回應，則判斷已經(jīng)斷開了連接。

結(jié) 語

本系統(tǒng)的設計和調(diào)試雖只是在實驗階段，但基本能實現(xiàn)預定功能，而且所得數(shù)據(jù)和調(diào)試結(jié)果將為相關方面的研究提供寶貴經(jīng)驗。目前，仍有需要改進的地方：首先，考慮到陰雨天氣系統(tǒng)仍能正常工作，則采光筒的保護需要完善；第二，完善太陽跟蹤機械裝置的設計，提高裝置的精度、穩(wěn)定性、節(jié)能性；第三，本系統(tǒng)只實現(xiàn)了太陽在東西方向的跟蹤，在南北方向上的跟蹤還需要進一步的完善。

本系統(tǒng)稍加成本便可以較大幅度提升太陽能的轉(zhuǎn)化和利用性能，并且具有良好的擴展性；還可結(jié)合具體背景廣泛應用到汽車、家居、公共場所和工業(yè)現(xiàn)場等用電領域。