基于LabVIEW控制的小型太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng)

孔麗晶，曹藝嚴(yán)，石鴻基，鄭晅麗，陳曉航，吳志明

(廈門大學(xué) 物理系，福建 廈門 361005)

基于LabVIEW控制的小型太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng)

孔麗晶，曹藝嚴(yán)，石鴻基，鄭晅麗，陳曉航，吳志明

(廈門大學(xué) 物理系，福建 廈門 361005)

根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤算法，以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了基于LabVIEW和串口控制的太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng). 該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)串口控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)太陽電池板實(shí)時(shí)、自動(dòng)地跟蹤太陽. 該設(shè)計(jì)提高了光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率.

太陽能發(fā)電；跟蹤系統(tǒng)；LabVIEW

太陽能作為一種綠色、可再生能源，其開發(fā)利用對緩解日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)有著十分重要的意義. 然而，由于成本較高，光伏發(fā)電技術(shù)目前還未進(jìn)入主流的電力市場. 為了提高地面光伏發(fā)電競爭力，可以通過聚光發(fā)電的形式，使光伏系統(tǒng)具有更優(yōu)的性價(jià)比，而如何以較低的成本，便捷、準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)太陽跟蹤是這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)鍵. 太陽跟蹤方式主要分光電式和機(jī)械式. 前者為被動(dòng)跟蹤，受環(huán)境影響較大(尤其在多云或陰雨天時(shí))；后者為主動(dòng)式，指的是控制信號來自于控制器中預(yù)先存儲的與當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度相關(guān)的太陽運(yùn)行軌跡函數(shù)，即視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法. 本文采用機(jī)械式跟蹤方式，以步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，基于LabVIEW和串口控制，設(shè)計(jì)了小型太陽跟蹤發(fā)電系統(tǒng). 研究結(jié)果表明：該系統(tǒng)操作方便、運(yùn)行良好、功能豐富.

1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

太陽能跟蹤系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)部件中所含轉(zhuǎn)動(dòng)軸的個(gè)數(shù)，可以將跟蹤方式分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤. 由于太陽高度角每天變化不大，因此單軸跟蹤一般都是在東西方向上跟蹤太陽方位角變化，而高度角只作季節(jié)性調(diào)整. 雙軸跟蹤則是同時(shí)控制系統(tǒng)方位角和高度角，既跟蹤太陽東升西落，又跟蹤太陽在一年四季的仰角變化. 由于雙軸跟蹤精度較高，故其發(fā)電量一般會比單軸高10%，但其系統(tǒng)構(gòu)成相對復(fù)雜，成本和能耗也高[1]. 考慮到系統(tǒng)造價(jià)、維護(hù)成本，以及實(shí)際的使用環(huán)境，本項(xiàng)目采用性價(jià)比相對較高的單軸跟蹤方式，因此只需1臺步進(jìn)電機(jī)，且步進(jìn)電機(jī)的選型及其安裝位置考慮了系統(tǒng)的可行性及其能量消耗. 圖1為發(fā)電系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，全框架所用材料具有良好的散熱性能[2].

圖1 發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)架

2 硬件電路設(shè)計(jì)

用計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)一般的做法是在其擴(kuò)展槽上安裝步進(jìn)控制卡，這種方法不僅成本較高，而且不便于操作. 近年來，出現(xiàn)了將計(jì)算機(jī)串口進(jìn)行二次開發(fā)，用于電機(jī)控制的技術(shù)，具有成本低、操作簡單、兼容性好等優(yōu)點(diǎn)[3-9].

2.1 RS232串口控制步進(jìn)電機(jī)工作原理

該系統(tǒng)用到的串口見圖2(a)，其發(fā)送數(shù)據(jù)的過程如圖2(b)所示，大致為：先發(fā)送起始位(邏輯“0”)進(jìn)行同步，接著按規(guī)定的波特率從低位到高位依次發(fā)送通訊數(shù)據(jù)的各二進(jìn)制位，最后發(fā)送停止位(邏輯“1”). 可見，通過改變發(fā)送的字節(jié)數(shù)及所發(fā)送的字節(jié)內(nèi)容，可在TXD(發(fā)送數(shù)據(jù))端產(chǎn)生任意數(shù)量的脈沖，而改變波特率可動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)送脈沖的頻率.

(a) RS232串口

(b) 串口發(fā)送數(shù)據(jù)過程

因此，若由計(jì)算機(jī)通過RS232接口向步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出2路控制信號：一路以TXD信號作脈沖方波信號，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)步數(shù)；另一路以RTS信號作方向電平信號，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，則僅用1個(gè)串口就能夠控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)[10].

2.2 接口電路設(shè)計(jì)

由于步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的接口并不是按照串口的標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)和連接的，因此，為了將串口引腳與電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的線路進(jìn)行匹配，必須設(shè)計(jì)電平轉(zhuǎn)換電路，從而實(shí)現(xiàn)RS232電平至TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，讓計(jì)算機(jī)發(fā)出的信號能穩(wěn)定、高效地傳送到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器上. 圖3為步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的實(shí)物連接圖,圖4為串口電平轉(zhuǎn)換電路.

圖3 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路實(shí)物圖

圖4 串口電平轉(zhuǎn)換電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)平臺LabVIEW簡介

LabVIEW是由美國國家儀器公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺. 與傳統(tǒng)的C和BASIC等基于文本語言產(chǎn)生代碼的開發(fā)環(huán)境相比，LabVIEW使用的是流程化圖形縮程語言，具有直觀簡單、易于操作的特點(diǎn)，可使沒有豐富編程經(jīng)驗(yàn)的工程人員從繁重的程序代碼編寫工作中解脫出來，將更多的精力放在測試上[11-14].

3.2 軟件總體結(jié)構(gòu)

太陽跟蹤系統(tǒng)軟件是在LabVIEW 8.20 環(huán)境中開發(fā)完成的，其主界面如圖5所示，主要包括參量初始化、手動(dòng)調(diào)整、自動(dòng)跟蹤及復(fù)位等.

圖5 軟件主界面

程序設(shè)計(jì)思路是：跟蹤開始前，先對系統(tǒng)參量進(jìn)行初始化，包括當(dāng)?shù)氐牡乩斫?jīng)度、緯度、步進(jìn)電機(jī)的步距角、串口資源配置等. 初始化模塊還用來判斷跟蹤系統(tǒng)是否位于機(jī)械原點(diǎn)，若不在機(jī)械原點(diǎn)則進(jìn)行復(fù)位操作. 首次使用該系統(tǒng)時(shí)，需先校正機(jī)械系統(tǒng)原點(diǎn)，手動(dòng)調(diào)整太陽電池板，使之正對太陽，并記錄校正時(shí)間. 初始化工作完成后，啟動(dòng)自動(dòng)跟蹤，系統(tǒng)將自動(dòng)獲取計(jì)算機(jī)當(dāng)前時(shí)間，判斷其是否在預(yù)設(shè)的跟蹤起止時(shí)間內(nèi). 如果當(dāng)前時(shí)間不在預(yù)設(shè)的時(shí)間范圍內(nèi)，則系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，一段時(shí)間后重新判斷當(dāng)前時(shí)間是否滿足跟蹤條件；如果滿足，則系統(tǒng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式，計(jì)算出當(dāng)前太陽位置與系統(tǒng)位置的差角，調(diào)整跟蹤系統(tǒng)位置. 根據(jù)設(shè)計(jì)，系統(tǒng)每隔1 min計(jì)算1次目標(biāo)位置與當(dāng)前系統(tǒng)位置的差值，由軟件通過串口控制電機(jī)，帶動(dòng)太陽電池板轉(zhuǎn)向目標(biāo)位置. 如此循環(huán)，直至?xí)r間到達(dá)預(yù)設(shè)的跟蹤結(jié)束時(shí)間為止，然后系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，等待新的一天開始. 系統(tǒng)主程序流程圖見圖6.

圖6 跟蹤系統(tǒng)主程序流程圖

3.3 太陽位置計(jì)算

天文學(xué)上，太陽的觀測位置可根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜁r(shí)間來確定. 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的原理正是根據(jù)太陽運(yùn)行軌跡，由天文學(xué)公式計(jì)算出每一時(shí)刻的太陽高度角與方位角參量，再利用計(jì)算機(jī)帶動(dòng)跟蹤裝置，實(shí)現(xiàn)跟蹤太陽的目的[15-20].

太陽位置計(jì)算程序嚴(yán)格按照相關(guān)天文學(xué)公式編制而成. 圖7為廈門大學(xué)夏季某日08:57至17:00太陽方位角變化的軟件計(jì)算結(jié)果.

圖7 太陽方位角變化軌跡

3.4 步進(jìn)電機(jī)控制程序

程序通過屬性節(jié)點(diǎn)設(shè)置串口RTS引腳的狀態(tài)并發(fā)送至RTS信號線上，作為控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向信號；同時(shí)將十六進(jìn)制“FF”通過VISA寫入函數(shù)發(fā)送到TXD引腳上，作為步進(jìn)脈沖信號，脈沖數(shù)由程序循環(huán)次數(shù)決定. 因方向信號需先行于脈沖信號，故程序采用順序結(jié)構(gòu)加上一定的延時(shí)來實(shí)現(xiàn). 圖8為示波器實(shí)測的TXD(CH1通道)和RTS(CH2通道)引腳信號.

圖8 示波器實(shí)測步進(jìn)脈沖和方向信號

3.5 復(fù)位程序

輸入校正時(shí)間后，程序自動(dòng)計(jì)算該時(shí)刻的太陽方位角并存入文本jfr.txt，作為系統(tǒng)原點(diǎn)位置. 進(jìn)行復(fù)位操作時(shí)，利用讀取文本文件函數(shù)將文本jfr.txt和jr.txt中保存的角度值取出作差. 由于運(yùn)行自動(dòng)跟蹤模塊時(shí)，程序是以即時(shí)更新的形式將系統(tǒng)位置對應(yīng)的角度存入文本jr.txt中，因此，當(dāng)跟蹤結(jié)束后，保留在該文本中的角度值就代表了當(dāng)前系統(tǒng)的位置. 通過比較校正時(shí)系統(tǒng)位置與當(dāng)前系統(tǒng)位置的角度差，就可以得到電機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，然后通過調(diào)用相應(yīng)的電機(jī)控制程序，帶動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)回零. 復(fù)位程序框圖見圖9.

圖9 復(fù)位程序框圖

4 結(jié)束語

本文從軟、硬件兩方面入手，根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤算法，通過計(jì)算機(jī)串口控制步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)太陽電池板實(shí)時(shí)、自動(dòng)跟蹤太陽，從而提高了太陽電池對太陽光的轉(zhuǎn)換效率，降低了發(fā)電系統(tǒng)成本. 實(shí)驗(yàn)表明：該系統(tǒng)不論是軟件程序的運(yùn)算執(zhí)行，還是硬件設(shè)備的驅(qū)動(dòng)運(yùn)行，都基本實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo).

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Sun-tracking solar power system based on LabVIEW

KONG Li-jing, CAO Yi-yan, SHI Hong-ji,ZHENG Xuan-li, CHEN Xiao-hang, WU Zhi-ming

(Department of Physics, Xiamen University, Xiamen 361005, China)

Based on high-precision sun-tracking algorithm and LabVIEW platform, a sun-tracking solar power system was designed with a stepper motor as the executing agency. To automatically drive the solar panel to track the sun in real-time, the system used a computer to control the stepper motor through a serial port. The improved deign had a good human-computer interface, increased the conversion efficiency of the system.

solar power; tracking system; LabVIEW

2016-05-31

孔麗晶(1982-)，女，福建莆田人，廈門大學(xué)物理系工程師，碩士，主要從事基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)和太陽能電池研究工作.

TK513.4

A

1005-4642(2017)04-0011-05

“第9屆全國高等學(xué)校物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)研討會”論文