一種新穎的太陽(yáng)能追蹤采集系統設計

0 引言
經(jīng)濟發(fā)展與能源日益短缺的矛盾一直都是現代社會(huì )面臨的一大難題，資源的緊缺和能源成本的持續增長(cháng)使得眾多發(fā)達國家將注意的目光轉向了新能源，其中太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應用備受重視。太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統主要由太陽(yáng)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(yáng)能追蹤采集系統，是實(shí)現太陽(yáng)能電池板追蹤太陽(yáng)方向，使太陽(yáng)光線(xiàn)始終能垂直照射太陽(yáng)能電池板，以實(shí)現光伏發(fā)電最大化的機電控制裝置，是太陽(yáng)能光伏發(fā)電不可缺少的重要組成部分。
目前，太陽(yáng)追蹤的控制系統劃分不外乎三類(lèi)：閉環(huán)、開(kāi)環(huán)、混合控制方式。實(shí)際應用中，常用的有光電追蹤和視日運動(dòng)軌跡追蹤兩種方式；前者是閉環(huán)的隨機系統，后者是開(kāi)環(huán)的程控系統。視日運動(dòng)軌跡追蹤的優(yōu)點(diǎn)
是能夠全天候實(shí)時(shí)追蹤，但算法復雜且固定，導致處理速度慢，追蹤軌跡固定，不能因地制宜、因時(shí)制宜地對太陽(yáng)進(jìn)行快速追蹤；光電追蹤靈敏度高，但受天氣的影響很大，甚至會(huì )引起誤動(dòng)。
本文提出一種基于MSP430單片機的太陽(yáng)能追蹤采集系統設計方案，綜合光電追蹤和視日運動(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動(dòng)追蹤方式采用復雜算法，從而減少控制器運算時(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)。能夠根據時(shí)鐘時(shí)間和光電檢測自動(dòng)調整硅太陽(yáng)能電池板的方位角、俯仰角，結構簡(jiǎn)單、成本低，而且可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻通信實(shí)現遠程實(shí)時(shí)監控，特別適合在復雜環(huán)境無(wú)人值守情況下，有較好的應用價(jià)值。

1 系統組成及設計
太陽(yáng)能追蹤采集系統由無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送及控制端、無(wú)線(xiàn)數據接收端和機械裝置端三大部分組成，又可細分為微控制模塊、電機控制模塊、光強檢測模塊、溫度檢測模塊、太陽(yáng)能充電模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、無(wú)線(xiàn)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(pán)控制
模塊等11個(gè)功能模塊，系統的結構框圖如圖1所示。

無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送及控制端中的光強、時(shí)間、溫度等檢測模塊會(huì )把太陽(yáng)光照強度、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(guò)對白天黑夜、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)地驅動(dòng)電機控制模塊，調整機械裝置端，實(shí)現太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤的控制。
同時(shí)無(wú)線(xiàn)數據發(fā)送及控制端又會(huì )把這些采集來(lái)的信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)射頻模塊發(fā)送到無(wú)線(xiàn)數據接收端，然后上傳上位機實(shí)時(shí)顯示，實(shí)現遠距離監控。
1．1 光電檢測模塊設計
光電二極管是在反向電壓作用下工作的，沒(méi)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(chēng)為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉換成電信號，成為光電傳感器件。而硅太陽(yáng)能電池板實(shí)際上也是一個(gè)大面積的PN結，把太陽(yáng)幅射能直接轉換成電流，原理和光電二極管一樣。
光強度檢測模塊包括兩部分，一個(gè)是利用光電二極管光強感應對天氣晴陰的判斷，如圖2(a)所示；另一部分在太陽(yáng)能充電模塊中，對硅太陽(yáng)能電池板上受到的陽(yáng)光照射強度的測量，如圖2(b)圈起部分。光電二極管對光強的敏感產(chǎn)生相應大小的電流，電阻R10把電流信號轉換為電壓信號，通過(guò)MSP430單片機的AD1212位模數轉換器采樣出相應的電壓值，相應的也就得到該時(shí)刻光強度，用以判斷天氣的晴陰。硅太陽(yáng)能電池板是電流型的，隨著(zhù)光強的增強其輸出的電流強度亦會(huì )增加，根據這一特點(diǎn)，運用AD12，在太陽(yáng)能電池板隨太陽(yáng)動(dòng)態(tài)旋轉時(shí)可以記錄各個(gè)角度的光強度，產(chǎn)生光照強度系列值，然后再把太陽(yáng)能電池板精確調整到光照強度最強的方位角和俯仰角的位置上。

1．2 太陽(yáng)能充電模塊設計
如圖2(b)太陽(yáng)能充電模塊的電路設計，設計主要圍繞太陽(yáng)能電池供電的鋰電池充電管理芯片CN3063進(jìn)行，應用5～6 V硅太陽(yáng)能電池板可為單節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；為了詳細了解電池電量狀況，利用MSP430中12位ADC對電池兩端電壓、電流進(jìn)行A／D采樣，確定電量從空到滿(mǎn)的5種狀態(tài)(如圖3，在液晶屏上顯示)；P6.2，R7，R8是用作對硅太陽(yáng)能電池板進(jìn)行光強測量的，J6是太陽(yáng)能電池板的充電接口。

1．3 無(wú)線(xiàn)射頻模塊設計
為了實(shí)現遠程監控，系統采用Nordic Semiconductor ASA公司推出的單片射頻收發(fā)器nRF905，設計了無(wú)線(xiàn)射頻模塊來(lái)實(shí)現無(wú)線(xiàn)數據傳輸。單片機通過(guò)軟件模擬SPI傳輸方式和nRF905通信，把外界采集的數據傳輸到上位機。nRF905與MSP430接口電路如圖4所示。