太阳能控制系统

太阳能控制系统（精选十篇）

太阳能控制系统 篇1

关键词：控制系统,太阳能干燥,智能算法

1 引言

太阳能作为国家“十二五”规划的重点发展的清洁能源, 在干燥领域优势明显。太阳能突出优点是可再生的、节约能源, 用太阳能干燥葡萄等果蔬产品, 有干燥品质高、干燥周期短等特点。用混联式太阳能果蔬烘干机[4]干燥葡萄, 比传统干燥方式缩短时间66.7%, 绿级品率提高了一倍以上;蜜枣用太阳能对流干燥试验[2]研究表明太阳能对流干燥比单纯对流干燥有明显的节能效果;隧道式太阳能干燥机干燥辣椒[5], 结果比传统干燥具有更高的干燥速度、色泽品质和辣味级别; 采用5 H T -2农副产品太阳能干燥装置[1]进行红枣太阳能干燥, 结果红枣产品感官、卫生指标较好, 产品色泽、风味品质及洁净度较好干燥时间为7-10d, 干燥周期较普通晒架法缩短25%。因此, 设计一套太阳能干燥控制系统, 保证干燥参数达到控制要求是很有必要的。

2 太阳能干燥控制装置

2.1 控制原理

葡萄等蔬果干燥装置由风机管道把太阳能集热器和葡萄干燥箱两部分连接起来, 环境空气经太阳能集热器加热变成热风由风机导入葡萄干燥箱[6], 干燥箱内温度可通过鼓风机调节来适应葡萄等蔬果的干燥。影响果蔬烘干的因素有烘干温度、空气相对湿度等[4], 干燥箱内温度和湿度由安装在干燥箱内的温湿度传感器检测, 传感器检测到的参数经温湿度变送器转变成标准电压或者电流送PLC模拟输入模块中, 经过模数转换后输送P L C内部C P U运算控制, 和P L C内部的标准温湿度数字数据比较得出控制数据, 控制数据送PLC输出模拟模块, 经过D/A转换得到电压或者电流信号送变频器控制回路控制变频器的输出频率, 进而控制鼓风机的转速, 而湿度信号经过PLC处理后经中间继电装置控制排湿风机, 最终根据进入干燥箱热风的多少来控制干燥箱内的温湿度, 使其不超出葡萄等蔬果的温度上下限。因葡萄等果蔬在烘干时, 由于物料本身的特性, 物料加热超过某一温度会影响烘干后产品的质量, 如葡萄在烘干温度超过42℃就会发生褐变, 得到的葡萄干的商品质量就会大大下降, 所以控制系统在温度达到上限值后自动停止输送热风[7]。

2.2 控制装置

太阳能干燥控制装置主要由西门子P L C 、三菱变频器、风机、温湿度检测系统等组成如图1。PLC主要控制现场的风机, 装置采P L C的工作电源AC220V、开关量输入模块和开关量输出模块整合在一个机壳内。

根据蔬果温湿度控制要求, 控制系统设有手动、单周期和自动等几种工作方式。P L C选CPU224CN型, 数字量14 输入10 输出。模拟模块EM231CN (A/D) 四路模拟输入;模拟模块EM232CN (D/A) 有2 路模拟输出, 具有数字量和模拟量转换功能, 完成传感器和被控风机与PLC主机的数据传递。现场检测到的信号经处理后变成标准的电压信号 (1~5v, 0~10v) 或电流信号 (4~20m A) , 模拟模块的分辨率是12 位, 所以经其转变后对应的数量为0~32000。PLC和模拟模块内的模拟量端口分配如表1。

3 系统软件设计

控制系统的上位机是工控机, 它和下位机 (PLC) 之间通过P P I电缆通讯, P L C的编程软件是S T E P 7 -Micro WIN_V4.0, 软件安装在工控机上, 程序控制指令通过编程软件编译、调试后下载到PLC中。下位机软件主要实现P L C和工控机通讯、PLC对干燥箱内的温度、湿度的控制等功能。为了提高控制稳定性, 实时跟踪系统参数 (如温度等) 的状态变化, 系统采用PID控制算法。软件设计主要包括程序上电初始化、P L C的CPU自诊断测试、P I D控制算法的设计以及中断程序处理等[8]。程序初始化主要在主程序中执行, 包括内存清零和各个模块初值设置。自诊断包括检查CPU模块和扩展模块的状态是否正常, 监控定时器复位等。

3.1 智能控制算法

系统采比例微分积分控制算法。P L C编程软件内部有PID控制指令[3], 控制器数字化后输出Mn为

其中

公式 (1) 中参数KC、TI、TD为PID回路增益、积分时间、微分时间; 参数SP和PV分别为温湿度信号的给定值和反馈量。这些参数可通过编程软件在线调整, 通过手动或者自动方式最终使温湿度系统的动静态性能达到要求。

3.2 程序梯形图

传感器检测到的温度信号, 经过变送器变成标准的模拟电流4 - 2 0 m A , 经A / D变换后的数字量6 4 0 0 -32000, 温度采集后输出最高为100 度, 最低零度。根据系统控制要求, 部分程序的流程图如图2 。

从流程图可见, 调用子程序S B R , 得到采集后的温度送变量存储器V W 3 0 中, 转变成设定温度值送存储器VW10;经PID运算后比较, 如在规定时间内 (例如5 秒) 大于设定温度, 停止鼓风机输送太阳能热量送干燥箱中。如果温度低于设定温度值, 鼓风机会一直输送太阳能集热器的热能到干燥箱, 使温度始终维持在蔬果干燥需要的温度。主要程序如下:

4 结束语

1) 系统使用的恒温控制算法是PID算法, PID算法能对蔬果等太阳能干燥过程中温、湿度在线监测和自动控制, PID理论在蔬果干燥中应用前景较好。

2) 由于太阳能干燥受周围环境影响, 昼夜温差变化较大, 如需要连续性干燥蔬果, 系统还可增加电加热等装置, 在阴雨天或者夜间太阳能集热器效果不佳时投入运行。

3) 和其它地区相比, 新疆地区光照充足、干燥少雨, 适合太阳能干燥蔬果, 节约大量能源。要提高地区蔬果的干燥品质, 参数 (如温度、湿度) 精确控制显得尤其重要。

参考文献

[1]过利敏, 张谦, 邹淑萍等.新疆红枣的太阳能干燥工艺研究初探[J].新疆农业科学, 2011, 48 (3) :458-462.

[2]崔明辉.蜜枣太阳能对流干燥最佳工况的试验研究[J].太阳能学报, 2006, 27 (8) :800-803.

[3]廖常初.S7-200PLC编程及应用[M].北京:机械工业出版社[M], 2007.

[4]马洪江, 王海, 王颇.棍联式太阳能果蔬烘干机的研制[J].农业工程学报, 2009, 25 (3) :50-54.

[5]HOSSAIN MA, BALA BK.Drying of hote hilliusing solar tunnel drier.Solar Energy, 2007, (81) :85-92.

[6]刘一健, 杨洋, 王海等.混联式太阳能果蔬干燥设备干燥无核白葡萄的试验.农业工程学报, 2005, 25 (5) :288-292.

[7]叶兴乾.果品蔬菜加工工艺学[M].北京:中国农业出版社, 2002.

太阳能控制系统 篇2

随着我国城市化发展的不断加快，城市建设的规模越来越大，路灯是城市建设过程中最基础的部分，为城市照明以及美化城市的过程中有着非常重要的作用。目前，大部分城市在建设路灯的过程中，都是采用人力进行的，建设成本较高，能源消耗较大，与目前可持续发展的战略相冲突。一款建设成本较低、节约能源性能较好的路灯控制系统，已经成为城市建设发展过程中必须品。

1、太阳能路灯系统

太阳能路灯控制系统主要是由太阳能电池板、蓄电池、灯具、控制箱、灯杆等组成的。太阳能路灯系统的核心控制系统如图1所示。

这样的太阳能系统是由太阳能电池方阵(含电池的支架)、路灯控制箱(内部设置有蓄电池组、路灯控制器等)、LED路灯照明灯头、路灯灯杆等几部分组成的。灯头主要是使用1W功率的LED白光集成在电路板上，并按照一定间距进行排列的平面发光源。LED技术有21世纪新光源的称号，是在白炽灯、日光灯、高压气体之后的新一代的光源，LED灯具有节能、无污染、使用时间长、没有频闪、安全、控制性能良好、直流供电等多种优点。路灯控制箱的箱体主要是采用不锈钢的材料布置的，既美观又实用，路灯控制箱内布置的铅酸蓄电池与相应的充放电控制元件，其中在设计充放电控制器的时候，需要考虑好控制器的功能以及花费的成本，功能上控制器需要具有光控、时间控制、过放保护控制、过充电保护控制以及接反电保护控制等性能，具有良好的性价比。

2、系统硬件电路设计

在对单片机太阳能路灯照明进行控制设计的过程中，主控制器采用AT89C52单片机，主要是经过总线与系统中各模板进行连接。设置系统工作时间，因为时间不同，工作状态也不相同。采用光敏感电阻器对路灯所处环境的.光亮程度进行检测，并经过转换芯片将收集的信息进行转换，之后发送给单片机。单片机对这写信息进行相应的处理后，再经过继电器对路灯的工作状态进行控制。通常情况下，路灯的工作时间分布情况为 :每日0时-次日6时是路灯节能的时间，路灯需要处在半电压的情况下工作 ;而9时-0时则是处在全电压的情况下工作，其他的时间需要根据实际环境的光线情况对泸路灯的亮暗情况进行控制。

2.1键盘电路设计

键盘S1,S2,S3分别接在单片机P2.4,P2.5,P2.6上，其中S1设置为模式选择键，主要用来控制数码管现实的模式(蓄电池的电压情况、太阳能电池板的电压、负载工作时间)。S2,S3则分别显示控制负载工作时间的增减情况，每次的增减时间为15min.

2.2电源电路模块设计

太阳能路灯控制系统正常工作的时候电压为5V,主要采用12V/24V的铅酸蓄电池进行供电，当蓄电池的电压不稳定的时候，需要提供相应的电压进行稳定控制，该系统采用LM7805三端稳压器，当输入的电压在5~24V之间的时候，可以保证输出的电压稳定在+5V左右。LM7805三端稳压器组成稳定的电源只需要少部分的元件，这样使用更加方便，系统的工作情况更加稳定。

2.3蓄电池电压采样电路设计

在整个太阳能单片机照明系统中，蓄电池是非常重要的设备，白天的时候蓄电池可以将电池板采集的太阳光转换成电能存储起来，等到天色暗下去的时候再将其转换成电能输送到照明设备上。智能控制系统所使用的电源也是由蓄电池提供的。蓄电池采样电路主要使用的是V/F转换器LM331.LM331转换器是美国NS公司生产的具有高性价比的集成芯片，可以当做精密频率的电压转换器。

LM331使用的是新的温度补偿能隙基准电路，在太阳能单片机照明系统工作的时候，在温度范围以内或者是降到4.0V电源电压的时候都会输出准确的数据，此外，LM331转换器的动态范围相对交宽，可以达到100d B;LM331转换器的线性非常好，最大的非线性失真低于0.01%,工作状态下的LM331转换器工作频率降到0.1Hz的时候还有非常好的线性 ;LM331转换器的变换精度较高，数字分辨率可以高达12位 ;外接电路也相对简单，只需要介入几个外部元件就可以方便转换器进行电路转换，并且很容易确保转换的精度。蓄电池电压的采样电路如图2所示。

2.4环境光线检测模块

基于单片机的太阳能路灯照明控制系统设计使用的是光敏电阻与ADC0832模拟数字转换器相结合的方式进行检测，工作的原理是当照射在光敏电阻上的光线亮度发现变化的时候，光敏电阻的电阻值也会发生变化，光线变强电阻值变小，光线变弱电阻值变大，ADC0832可以将电压信号转换为数字信号，发送给单片机，保证单片机可以对环境的明暗程度的信号进行分析并作出相应的处理。

3、系统软件程序设计

3.1白天充电子程序

白天太阳能电池板会收集相应的太阳光，转换器会将其转换成化学电能储存起来，单片机可以通过蓄电池对路灯设置充电策略，这样可以有效地控制电能的使用，有效地提高蓄电池的使用寿命。单片机设置的充电方式有三种 :

(1)快速充电阶段，充电电路的输出等于路灯使用的电流源。路灯的电流源输出情况与蓄电池的工作情况有着非常密切的联系，在整个充电的过程中，输出的电源流会对整个蓄电池的电压进行自动监测，如果电压达到转换条件的时候，会自动转换成下一个充电方式。

(2)过充阶段。这个时候设计的充电电路会对蓄电池设置一个更高的电压，如果蓄电池的电压持续达到设置的于要求时2,电路会自行认为蓄电池已经充满，这时会转换到浮充阶段。

(3)浮充阶段。该阶段主要是对蓄电池设计一个准确的浮充电压，确保路灯在晚上时可以正常工作。

3.2夜间放电子程序

夜间放电子程序主要对蓄电池进行放电保护，防止过放。12V系统蓄电池负载切断电压是1 111.9V(可调)，24V系统切断电压是22.823 8V(可调)。夜间放电子程序的另一个主要功能是控制开灯时间。

4、结束语

本文主要AT89C52单片机设计了一个太阳能单片机照明系统，实现了路灯可以按照时间以及光源双重的控制方式，经过试验，太阳能AT89C52单片机照明系统工作情况稳定、安全，相较于其他的控制系统更加智能化，可以大幅度的节省电能，降低施工成本，满足节能的要求。

参考文献

[1] 辛智广，于春荣，王树彬 .LED 路灯智能控制系统设计方案 [J]. 科技传播，,(5)：178.

[2] 吴正茂 . 基于 STC 单片机的太阳能 LED 路灯控制器设计 [J]. 中国科技财富，.

太阳能LED路灯控制系统的设计 篇3

关 键 词：太阳能；LED；最大功率跟踪

中图分类号：TP29 文献标志码：A

一、引言

当前，由于全球性能源危机，世界主要发达国家都开始重视可再生能源的利用研究。在所有可再生能源利用中，太阳能作为一种取之不尽、用之不竭的无污染的洁净能源，已被公认为未来解决能源危机的最有效能源[1]；LED灯具有寿命长、高效节能、环保等优势。因此，把太阳能与LED路灯有机地结合起来，开发出一套太阳能LED路灯控制系统非常重要[2]。

目前，在所有的太阳能利用中，光伏发电无疑是其中一项重要的解决方案。但是，太阳能电池具有非常明显的非线性特性，造成太阳能电池与负载之间的不匹配， 从而降低了太阳能电池的输出效率；同时光伏发电成本居高不下，制约了光伏产业的发展。因此为了充分利用太阳能，降低发电成本，提高发电效率的需要，急需研制一种能实时跟踪太阳能最大功率点（MPPT）[3]的控制系统。

为此，设计了的基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统，系统采用变步长的导电增量法跟踪太阳能电池板的最大功率点，充分利用太阳能电池板的能量，对铅酸蓄电池充电，同时实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等现象；对LED路灯采用多段式的恒流控制，通过环境照度的监测控制LED路灯在不同电流强度下工作，以增强LED路灯的使用寿命，实现节约用电的目的。

二、系统原理

基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统原理图如图1所示。系统主要由太阳能光伏板、太阳能电流电压采集、Buck充电电路、铅酸蓄电池、Boost放电电路、蓄电池电压采集、放电电路电流采集、LED路灯及STC12单片机等部分组成。通过采集太阳能光伏板的电压来判定充电和分段式恒流负载输出。当检测到太阳能板电压高于蓄电池电压一定值时开始MPPT充电模式，这时STC单片机通过采样到的太阳能板电压和电流值通过变步长的电导增量法计算最大功率点，通过PWM信号的占空比调节太阳能板充电电压大小达到最佳充电功率点，充电同时实时监测蓄电池电压防止过充电；当检测到太阳能板电压低于一定值时，停止充电进入分段式恒流负载输出控制模式，此时主要根据不同的太阳能板电压值，通过Boost放电电路控制PWM信号的占空比方式控制负载输出电路输出不同的电流值。

三、系统硬件设计

1.Buck MPPT充电控制主电路

太阳能最大功率点跟踪控制电路主要采用如图2所示的Buck斩波降压电路。其中，Q1、Q2就是通过PWM信号的占空比来调节太阳能板的充电电压大小，Q3、Q4主要起防反充的作用（当蓄电池电压高于太阳能板时要及时关闭），压敏电阻TVS管防雷击和浪涌电压，U1（ACS712）是霍尔电流传感器，通过它来检测太阳能板的输出电流。

2.负载开关控制电路

负载开关控制电路主要有MOS管Q7、Q8和自恢复保险丝F1、F2、F3组成，可以和后级的负载Boost电路构成简单的恒流分段式控制电路控制LED路灯工作在不同的恒流电流值下。

3.STC单片机采样控制电路

STC单片机采样控制电路如图4所示，主要完成对太阳能板的电流电压的采样、蓄电池电压的采样以及负载输出电流的采样等。通过采样的信号完成MPPT控制信号和负载多段式恒流输出控制信号的产生及各个指示灯控制信号的产生。

4.MPPT充电控制电路

MPPT充电控制电路如图5所示，主要把STC单片机产生的MPPT充电控制PWM信号通过高速光耦U4（P521）转换成MOS的控制信号，来实现控制信号之间的隔离，减少电路噪声干扰等作用，同时也有助于增加驱动MOS的能力。

四、系统软件设计

系统软件流程图如图6所示。此次设计采用的STC12单片机有2路8位PWM发生器和8路10位AD转换器，可直接实现PWM输出和AD转换。系统实时采集太阳能板电压和蓄电池的电压，当检测到的太阳能板电压大于蓄电池电压加上0.4V时，系统进入充电模式，通过判断当蓄电池电压低于14.5V时进入最大功率点充电子程序，否则关闭充电；而当检测到太阳能板电压低于6V时，系统进入放电模式，通过判断当蓄电池电压低于10.5V时停止放电，否则进入分段式放电子程序。

最大功率点充电子程序流程图如图7所示。相比于光照的突变，光伏太阳能板表面温度的变化是非常的缓慢的，因此，在研究最大功率点跟踪时，可以近似的认为光伏板表面的温度是不变的。当dU=0时，光照的变化必然引起功率P的变化；当dU<0时，若dI<=0，则光照降低；当dU>0时，若dI>=0，则光照增强。对于其他情况，可以设定一个阈值δ，当|dI|>δ时，认为光照发生了较大变化。

基于以上原理设计了一种变步长的电导增量法，未检测到光照发生变化时，若dU≠0，系统没有工作在最大功率点。在最大功率点的左侧（dP/dU>0）时，应该提高工作点的电压，即减小占空比（增大Duty值dD>0）。该区域远离最大功率点，dP/dU变化速度小，为了加快逼近速度可取，其中M1、N设置为适当的常数，当N>1时，可以放大dP/dU>1时的步长，并缩小dP/dU<1时的步长。在最大功率点的右侧（dP/dU<0）时，应当降低工作点电压，即增加占空比（减小Duty值dD<0）。该区域内dP/dU变化速率较大，取dD=M2*dP/dU。检测到光照发生变化时，出于电流的变化方向和最大功率点电压变化方向一致，因此可以取dD=M3*dI作为步长数据，可以快速追踪由辐照度变化引起的最大功率点电压变化。

五、总结

设计了一套基于STC12单片机的太阳能LED路灯控制系统，系统采用变步长的电导增量法跟踪太阳能电池板最大功率点，并可实时监测铅酸蓄电池的电压防止蓄电池过充、过放等的现象；对LED路灯采用多段式的恒流控制，通过环境照度的监测使LED路灯在不同电流强度下工作，以增强LED路灯的使用寿命，实现节约用电。

参考文献

[1] 高峰，孙成权，刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势.世界科技研究与发展[J].2001，23（4）：35-39.

[2] 刘永玺.功率型白光LED的荧光粉涂覆工艺及散热技术研究[D].厦门：厦门大学.2008，2-5.

基于太阳能的微型制冷控制系统研究 篇4

关键词：太阳能,单片机,半导体制冷

1 课题研究背景及意义

1.1 课题设计背景和目的

低温储藏作为我国粮食储藏工作中一项带有方向性、重要性的技术措施, 是当前绿色储粮技术推广的首选方法[1]。

低温储粮技术中, 冷源的选择极其关键。当前的低温储粮主要有机械压缩式制冷和天然低温储粮。但前者电能消耗大, 运行成本高, 停机后粮仓内温度容易回升;后者利用天然低温资源如自然通风降温、深井水降温等进行储粮, 虽然费用低廉, 但可利用时间短, 达不到满意的制冷效果, 不能大量实施。二者均难以满足绿色储粮“高质量、高效益、低能耗、低污染”的发展要求[2]。因此, 低温粮仓新冷源的研究与应用必然具有广阔的前景。

我国太阳能资源比较丰富, 大部分地区日照充足, 能满足低温粮仓的制冷能量消耗。太阳能空调的最大优点在于, 冷负荷的需求与太阳能的供给能够保持一致性:当天气越热、太阳辐射越强的时候, 冷负荷的需求越大。采用太阳能微型制冷系统, 既可以达到粮仓低温效果, 又能减少运行成本, 而且符合国家提出的节能减排的要求[3]。

1.2 太阳能制冷的方式及意义

随着人们节能和环保意识的加深, 开发新能源和可再生能源已经成为许多发达国家和发展中国家21世纪能源发展战略的基本选择。太阳能就是一种可再生清洁能源, 长期以来一直受到科学家的关注和重视。在太阳能的利用中, 太阳能制冷空调是一个极具发展前景的领域, 也是当前制冷技术研究中的热点[4,5,6]。

电子制冷是由半导体制冷片 (TE) 制冷的。它由大量碲化铋PN结组成。当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成电偶对时, 在这个电路中接通直流电流后, 就能产生能量的转移, 电流由N型元件流向P型元件吸收热量, 成为冷端;由P型元件流向N型元件释放热量, 成为热端[7,8]。文中用到的太阳能制冷方法是电子制冷, 采用的是半导体制冷片, 制冷效果符合设计要求, 且成本低。

1.3 设计的框图及内容

笔者设计的制冷控制系统主要包括硬件设计和软件设计两部分。系统功能由硬件和软件两大部分协调完成, 硬件部分主要完成主电路、数据采集电路、驱动电路、温度显示电路等的设计。软件程序编写主要用来实现对驱动电路控制、温度的检测、温度显示等数据处理功能, 见图1。

2 硬件设计中主要器件选型

2.1 单片机

单片机就是在一块硅片上集成了微处理器、存储器和各种输入输出接口电路的微型计算机, 简称单片机。STC12C5A08S2单片机包含中央处理器 (CPU) 、程序存储器 (Flash) 、数据存储器 (SRAM) 、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。STC12C5A08S2系列单片机几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块, 可称得上是一个片上系统。图2为STC12C5A08S2单片机的封装图。

2.2 电子制冷片

2.2.1 电子制冷片简介

电子制冷片是制冷系统的核心, 其能力和特征决定了制冷系统的能力和特征。电子制冷片具有体积小、重量轻、高功率、低能耗、工作安静无振动、可变频和易于精确控制等特点, 是极为理想的移动或者便携的小型热管理系统的首选。

半导体制冷片 (TE) 也叫热电制冷片, 是一种热泵, 它的优点是没有滑动部件, 可用在一些空间受到限制、可靠性要求高、无制冷剂污染的场合。

半导体制冷片的工作运转是用直流电流, 它既可制冷又可加热, 通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热, 这个效果的产生是利用热电的原理。

2.2.2 制冷片的选择

制冷器的选择应考虑以下6点。

1) 被冷却物体所欲达到的温度。

2) 制冷元件的最大电流数值。

3) 热负载、被冷却物的发热量和从外部渗入的热量。

4) 选取何种散热方式 (自然对流的散热、强迫对流的散热或液冷等) 以及热端与周围介质的热交换系数。

5) 冷端同被冷却物体间取何种热交换方式 (紧密接触或液体循环等) 以及热交换系数。

6) 冷却速度与达到温度的时间。

半导体制冷粮仓的负荷计算公式为

式中:QB为粮仓的泄漏能量;QA为开门泄漏能量;QP为粮食散发热量;QM为其他热量。

文中将条件设定为密闭粮仓, 在湿度一定的情况下, 通过计算制冷量来选择半导体制冷片。粮仓热量主要来自外部, 选择粮仓面积为70 m2, 制冷高度为1 m, 可估算所需制冷量为2 324 W。

根据设计要求可选用的制冷片型号为THC1-12706, 所选制冷片对应型号的主要参数有工作电流为6 A, 工作电压为12 V, 温度范围为-55~80℃。根据粮仓大小, 共选择了10片制冷片。

2.2.3 制冷片的散热

散热管是焊接的矩形截面空心铝管或铜管, 空气在散热管中流动, 其外表面与半导体制冷片接触, 半导体制冷片的另一面与散热片接触, 散热片之间通过散热片螺栓组件连接, 保温隔板在散热片之间, 保温套管套装在散热管两边的管上, 用于散热管保温。制冷器风扇通过制冷器风扇螺栓组件固定在U型板上, 制冷器风扇的风吹到散热片上, 将散热片的热量吹到大气中, 防止半导体制冷片过热, U型板通过散热片螺栓组件连接散热片, U型板上的一组孔用于对外连接, 固定半导体制冷器。

2.3 太阳能光伏电池

太阳能电池通常由半导体硅材料制成。其作用是把太阳能直接转换为直流形式的电能, 是光伏阵列中光电转换的最小单元。由于单个太阳电池的功率极小, 因此一般不单独作为电源使用。实际应用中是将许多单个太阳电池经过串、并联组合并进行封装后构成太阳电池组件使用。光伏阵列就是由许多太阳电池组件经过相应的串、并联后构成。

第106页图3中的硅电池是基体材料为P型单晶硅, 厚度在0.4 mm以下。上表面层为N型层, 是受光层, 它和基体在交界面处形成一个PN结。在上表面上加有栅状金属电极, 可提高转换效率;另外, 在受光面上, 覆盖着一层减反射膜, 它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜, 用以减少入射太阳光的反射, 使太阳电池对入射光的吸收率达到90%以上。太阳能电池的等效电路见图4。

针对低温储藏的粮仓, 选择太阳能电池主要考虑到制冷量和半导体制冷片的实际效率。制冷量将在硬件电路设计中讨论并进行计算, 根据实际综合情况来进行太阳能电池的选择。

2.4 温度传感器

DS18B20数字温度计是DALLAS公司生产的1-Wire, 即单总线器件, 主要用它来组成一个测温系统, 具有线路简单的特点, 一根通信线, 可以连接很多这样的数字温度计, 十分方便 (见图5) 。在温度传感器的封装引脚图中, GND为地信号;DQ为数据输入/输出引脚, 开漏单总线接口引脚, 当被用在寄生电源下, 也可以向器件提供电源;VDD为可选择的VDD引脚, 当工作于寄生电源时, 此引脚必须接地。

3 系统总体硬件设计方案

单片机应用系统的硬件电路设计就是为单片机温控系统选择合适的、最优的系统配置, 即按照系统功能要求配置外围电路, 如按键、数码管、器件合适的接口电路等。

该系统的硬件电路主要包括模拟部分和数字部分, 系统功能由硬件和软件两大部分协调完成。硬件部分主要完成制冷片的驱动, 传感器信号的采集处理, 温度的显示等;软件部分主要对驱动电路的控制和采集的温度信号进行处理及数码管显示等。

在硬件设计中遇到的主要问题是如何将太阳能电池加到半导体制冷片上, 在这个问题上有4种方案。第一种方案是用一个升压电路连接蓄电池, 对蓄电池充电, 然后将蓄电池端电压加到半导体上, 驱动半导体进行工作, 但由于功率在前面损耗过多, 以至于半导体制冷片只是发热, 并不能达到预期的制冷效果。第二种方案是去掉升压电路和蓄电池部分, 直接用太阳能电池的端电压驱动制冷片工作, 但太阳能电池内阻相对于半导体制冷片来说太大, 能量损耗在了太阳能电池内阻上, 效果也不理想。第三种方案是加入恒流源电路, 控制半导体制冷片的电流, 但因直接和太阳能电池相连, 同样的原因, 再次被否定。第四种方案是利用现在电路中的IR2103对电路进行驱动, 这次完全避免了以上两个缺陷, 得到了符合设计要求的电路[9,10]。

4 系统软件设计

4.1 温度控制PID算法

系统中采用温度传感器DS18B20来检测环境温度, 当环境温度超过设定值时, 单片机经比较后, 采用PID算法进行温度控制。

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。当采样周期相当短时, 可以用求和代替积分, 用差商代替微分, 即做如下近似变换

式中:k为采样序号, k=1, 2, …;T为采样周期。

显然在上述离散化过程中, 采样时间T必须足够短才能保证有足够的精度。为了书写方便, 将e (k T) 简化表示成e (k) 等, 即省去T, 得到离散的PID表达式为

式中:k为采样序号, k=1, 2, …;u (k) 为第k次采样时刻的计算机输出值;e (k) 为第k次采样时刻输入的偏差值;KI为积分系数, ;KD为微分系数, ;e (k-1) 为第 (k-1) 次采样时刻输入的偏差值。

该系统采用增量式PID控制算法, 是指数字控制器输出只是控制量的增量, 该算法编程简单, 数据可以递推使用, 占用存储空间少, 运算快。根据递推原理可得

联立式 (5) 和式 (6) 可得控制算法

一个应用系统要完成各项功能, 首先必须有较完善的硬件作保证, 同时还必须得到相应设计合理的软件的支持, 采用与STC51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。

温度子程序是针对检测的模拟信号转化为数字信号, 送入到单片机进行控制的。程序中应有延时程序来保证信号的稳定性, 锁存一定时间的温度进行显示。

4.2 温度采集显示程序

数码管动态显示的特点是将所有位数码管的段选线并联在一起, 由位选线控制哪一位数码管有效。这样一来, 就没有必要每一位数码管配一个锁存器, 从而大大地简化了硬件电路。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选, 利用发光管的余辉和人眼视觉暂留作用, 使人感觉各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些, 所以在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的限流电阻。

4.3 系统主程序

单片机在编程时, 需要先确定完成的具体内容, 再根据内容写出程序流程图, 最后依据所写流程图进行编程。

此节要根据各个电路模块的功能写出总体流程图。基于太阳能微型制冷控制系统, 主要模块有单片机控制模块、电源供给模块、驱动模块、采样模块和显示模块。

根据上文, 主程序开始到调用温度子程序, 还有初始化及中断程序, 再到各个具体的子程序。

5 结论

该设计本着方便、实用性、易于扩展的指导思想, 采用STC12C5A08S2为中央处理器加上各种外围电路构成了整个单片机控制系统。在设计中运用温度传感器采集温度, 通过转换、处理与设定值进行比较, 得到控制信号用以控制粮仓的温度, 实现了粮仓温度显示和控制功能。

参考文献

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

[2]彭介华.电子技术课程设计指导[M].北京:高等教育出版社, 1996.

[3]谢自美.电子线路设计实验测试[M].武汉:华中理工大学出版社, 1992.

[4]李先允, 姜宁秋.电力电子技术[M]:北京:中国电力出版社, 2006.

[5]罗会龙, 王如竹.太阳能制冷低温储粮研究[J].上海交通大学学报, 2006, 40 (2) :47-48.

[6]袁涛, 李月香, 杨胜利.单片机C高级语言程序设计及其应用[M].北京:北京航天航空大学出版社, 2002.

[7]谭浩强.C程序设计[M].北京:清华大学出版社, 2000.

[8]苏家健, 曹柏荣.单片机原理及应用技术[M].北京:高等教育出版社, 2004.

[9]史云鹏.光伏系统中蓄电池充放电控制方案的探讨[J].太阳能学报, 2005 (2) :86-89.

太阳能家用照明系统的构建 篇5

一个普通家庭的每天晚上照明用电为80W×8h=640VAH。估算每月用电量为：640VAH×30=19200WH（即19.2KWH）。照明领域相对电机启动，减少了对启动电流的要求。随着国家英国节能灯以及LED节能灯的推广运用，这套系统将发挥更大的发展空间。

太阳能功率的确定。假设月平均晴天天数为20天（春季雨天多，除外），每天平均光照时间8h（夏季长，冬季短），每月的光照时间为20×8h=160h，计算得：太阳能电池的功率为19200÷160=120W，（假设中间配件效率为80%）。得实际需要电池功率为：120÷80%=150W。估计成本1500元。

电池电压及容量的确定（可以先用汽车电池做试验）。①为保证电池的正常供电，电池组估计可供3天，640VAH×3=1920W，假设使用12V电池组，则电池容量为：1920÷12=160AH；假设使用电池组为24V，计算得电池容量为：1920÷24=80AH；假设使用电池组为48V，计算得电池容量为：1920÷48=40AH。②电池的供电电流为12A：则假设使用12V电池组，可提供的功率为：12×12=144W；假设使用电池组为24V，可提供的功率为：12×24=288W；假设使用电池组为48V，可提供的功率为：12×48=576W。

太阳能控制器：价格仅供参考。

10A价格120元，（链接：）20A价格220元，（链接：）30A价格350元，（链接：）电源逆变器：品种繁多，选择的余地较大。功率从100W到8000W不等，价格都是100到980不等。例如：贝尔金车载逆变器220V 车载充电器/400W/汽车电源转换器 车载电源，265元；索尔2011新款 大足功率 1000W

12V/24V/48V 家用 车载逆变器 价格420元；奥舒尔 U30 300W车载逆变器笔记本车充 12V转220V 带USB 车载充电。

太阳能控制系统 篇6

【关键词】太阳能热水器控制器;单片机;水温水位一体化传感器;继电器;电磁阀

0 引言

太阳能作为绿色能源尤其在太阳能热水器中的应用深得广大用户的好评。但与之配套的太陽能热水器的控制器存在诸多的问题尤其在水温水位一体化传感器工艺的设计、防雷击、漏电和过热保护上影响了其推广和使用。本文就以上太阳能热水器控制器存在的问题进行了研究，并提出了切实有效的解决方案。设计制作的太阳能热水器的控制板如图1所示。

图1 太阳能热水器控制板

1 太阳能热水器控制器的硬件组成

太阳能热水器控制器硬件系统组成框图如图2所示，它以新型单片机STC12C5A60S2为控制核心，外接功能按键电路、水位水温一体化传感器、漏电过热保护电路、电磁阀继电器电流驱动电路、报警蜂鸣器、LED数码管显示电路和系统电源电路等组成。

系统通过水位水温一体化传感器将水箱的水位和水温参数转化为单片机能够识别的电信号，经过软件算法处理实时将水位和水温显示在LED数码管上，系统首次上电后水箱内的水位不足20%时为了避免干晒和干烧，系统会启动蜂鸣器报警同时启

动上水电磁阀进行自动上水，但水位达到100%时自动停止上水，期间用户也可以通过按键进行手动上水;阴雨天气或者阳光不足时可以手动启动电辅加热，当水箱的水温加热到用户的设定温度时系统自动切断电辅加热也可手动随时停止加热;秋冬天气太阳能的上水管极易冻裂系统可以手动启动管道保温功能，最大限度的提高太阳能热水器的使用效率。

图2 太阳能热水器控制器硬件系统组成框图

2系统各功能硬件电路设计

2.1水温水位传感器结构原理

水温水位一体化传感器结构原理如图3所示

图3 水温水位一体化传感器

此水位水温传感器包括1个10K热敏电阻、4个色环电阻、橡胶外套和4段不锈钢弹簧组成。传感器内的热敏电阻和控制器内的5K电阻组成一个串联电路，根据串联分压原理，通过A/D转换单片机即可将水箱内的温度信息进行采样并实时显示和控制。其中热敏电阻的两端包裹有高温导线，此高温导线贯穿于传感器的顶端和末端，最大限度的保证采集温度的准确性。传感器内的的4个色环电阻和4个不锈钢弹簧管之间串联焊接，然后用橡胶包裹固定。其中不锈钢弹簧主要起到增加水位传感器的长度的作用，4个色环电阻将水位分成4个档位，由于包裹在每个档位处的橡胶是导电的，而档位以处的橡胶是绝缘的，不同的水位即可等效为不同的电阻，通过震荡电路即可产生不同的频率，从而实现了水位的检测。

2.2水温水位传感器测试原理

图3中的4个档位不锈钢弹簧对应的水位等效电阻1、2脚接口与图4中的1、2接口相连，等效电阻RF、R1、R2、R3、U1A、U1B和C1构成非对称式多谐震荡器[1]，经过反向驱动器U1C和滤波电容C2整形后接到单片机的P1_0，单片机通过测量P1_0引脚的方波频率即可得到水位的位置。

图4  水温水位传感器信号调理电路

电路的震荡周期由式（1）给出：

T=2.2RFC，=             （1）

式中的RF为等效电阻，根据4档水位对应的不同

等效电阻得到不同的信号频率如表1所示：

表1  水位/频率值变换表

图3中的10K负温度系数的热敏电阻与图4中5K电阻R4串联分压后经C3滤波后接到单片机的P1_1（ADC0通道）引脚，通过测量该引脚的水温电压对应的ADC值，再通过查表即可获取水箱内水温值。

单片机P1_1处的电压（2）

式2中的R1为10K热敏电阻的水温阻值。通常将热敏电阻的阻值和水温做成一张表格如表2所示，表格中的每个元素由水温对应的ADC值和水温组成存放在单片机的ROM内，当检测的水温对应的电压AD转换后，通过查表得到对应的水温。电阻R5、R6、R7为压敏电阻【2】。避免水温水位传感器因遭受雷击影响电路控制系统的整体寿命。

表2 水温/电压ADC变换表

2.3上水电磁阀、电辅加热和管道保温继电器驱动电路设计

图5 上水、电加热和水管保温驱动电路

电加热、管道保温继电器和上水电磁阀的驱动电路如图5所示，STC12C5A60S2单片机对于继电器、电磁阀这种大的负载很难驱动，故采用ULN2001A驱动芯片控制电磁阀的线圈通断电。ULN2001A内部集成3路达林顿电流放大电路，只需用单片机的P1_6和P1_7脚在ULN2001A的输入管脚1、2、3输入TTL高电平（5V左右），输出脚8、7、6即可输出最大500MA的控制电流足以驱动电加热和管道保温继电器线圈的工作。单片机的P1_5脚输出高电平通过三极管Q1的饱和导通，即可控制12V的上水电磁阀工作，反之即可关闭上水电磁阀。由于电磁阀线圈关断瞬间产生反向电动势，故采用IN4007二极管吸收反向电流从而保护三极管Q1的使用寿命。图5中的B1、BZ1和BZ3为压敏电阻，保护上水电磁阀、电加热和管道保温继电器线圈遭受雷击的损坏。

2.4系统漏电、过热保护电路设计

图6 漏电检测、过热保护电路

系统保护电路如图6所示，将电感线圈套装在220V的交流电源上，然后将线圈的2根引出线接在J4插座上，二极管D11、D12并接在线圈的两端。电源一当漏电，流过漏电线圈的电流不平衡，线圈将产生感应电压和电流，通过D11、D12构成续流回路，以免互感线圈二次侧开路，产生较高的危险电压[3]。单片机管脚P1_4检测经C11、C12、R10滤波后的漏电电压，一旦漏电发生即可关断继电器，切断电源保护系统和人员的安全。当系统内的温度超出75℃时，单片机P1_3腳检测热敏电阻3470分得的电压变化，从而切断系统电源，起到系统过热保护的作用。

2.5系统电源电路设计

图7 系统电源电路

系统电源电路如图7所示，太阳能控制器系统需要的直流电源有+12V，+5V两种电源，使用变压器将交流220V转化为交流12后，接到接口J1上，经过D1、D2、D3、D4全波整流后，得到12V直流电，经7805稳压后得到5V直流电，电容C1、C2、C3、C4为滤波作用，滤除电源中的高频和低频分量保证系统电源的稳定可靠。

2.6按键、蜂鸣器及LED显示接口电路设计

太阳能热水器控制器系统采用模式选择、加热、保温和上水4个独立按键实现系统的外部输入功能，按键去抖动包括软件和硬件方法，本系统采用软件算法实现按键去抖处理既可靠又降低了系统的硬件成本。LED显示采用的8*8点阵原理（共阳）共64只发光二极管实现水位、水温、时间和特殊功能的显示，LED显示尤其注意驱动电流保证每只发光二极管的工作电流在5～10ms，从而保证显示的亮度。本系统蜂鸣器采用的是脉冲驱动的无源蜂鸣器，一当开机或用户用水的过程中水位低于20%，便触发蜂鸣器，实现声光报警自动上水功能。以上3项子功能电路简单，原理图略。

3 系统软件设计

太阳能热水器控制器系统采用基于C程序[4]的模块化结构编程，包括主程序、自动加热子程序、自动上水子程序、LED数码管动态扫描子程序和按键去抖动算法设计。

按键去抖动[5]采用定时器每2ms中断一次，每次中断读取4个按键的状态并存储起来;连续扫描8次后，看看这连续8次的状态是否一致，8次按键的时间大概是16ms，这16ms内如果按键的状态保持一致，那就确定现在按下的按键处于稳定状态，而非处于抖动阶段，从而实现按键的去抖动。按键从按下到弹起的状态检测过程如图8所示。系统主循环程序根据去抖动后的按键值，执行不同的操作，系统主程序流程图如图9所示。

图8  按键连续扫描判断

图9 主程序流程图

主程序在检测显示水温水位环节，采用数字滤波处理即连续读3次，取排序后的中间值为读取到的水温水位值，提高系统的抗干扰能力。

4 结束语

本次设计实现的太阳能热水器控制器系统主要的创新点有：1）采用自制的水温水位一体化传感器，检测效果稳定可靠，成本低廉;2）具有防雷、漏电和过热保护功能，性价比高较易被用户接受。该系统将以其安装操作方便、显示精度高、稳定可靠等优越性能目前已批量生产，为企业创造了可观的经济和社会效益。附PCB控制板如图10：

图10 太阳能热水器控制板PCB

参考文献：

[1]阎石.数字电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2012.P332～P334.

[2]牛小玲.太阳能水温水位控制器设计.实验技术与管理，2014，31（1）：75-76.

[3]马敏.太阳能热水器控制器的设计，河南科学2003，21（2）：225

[4]徐意.单片机技术与应用[M].浙江：浙江大学出版社，2012.

[5]宋雪松.手把手教你学51单片机[M].北京：清华大学出版社，2014.

基金项目：本项目来自浙江省教育厅一般科研项目：新型太阳能热水器控制仪的应用研究，编号：Y201224827。

作者简介：

太阳能沼气池智能检测与控制系统 篇7

发展沼气是开发替代能源的重要途径之一,推广沼气是建设生态型生活和生产的关键环节[1,2]。将太阳能更为有效的转化为发酵装置可获取的能量,使其较好地稳定在沼气发酵的理想温度范围内。太阳能沼气池运用智能控制实现恒温加热,定时搅拌,智能控制,远程控制,达到对清洁能源的高效利用[3,4]。系统以太阳能电池板吸收太阳光产生的电能为主,电网电能为辅,通过沼气罐内置的电加热片来维持罐内的恒温环境,来提高罐内的发酵温度。

1 沼气发酵的基本条件

厌氧环境是沼气发酵的必备条件,沼气微生物的核心菌群是甲烷菌群,对氧气特别敏感,在其生长、发育、繁殖、代谢等生命过程中都不需要氧气,空气中的氧气会抑制其生长发育。发酵原料的碳氮比一般要制在25~30:1之间,通过调整以上两种原料比例来控制,沼气适宜酸碱度为6.5~7.5之间[5]。

2 太阳能沼气池智能监控系统方案设计

系统选用S7-200系列PLC作下位机,选用模拟模块实现对现场模拟量数据的采集,通过数字量接口控制相应设备来修正沼气池内各种参数范围。系统加入手动调节和远程监控环节,实现远程控制现场各种操作,完成现场参数实时记录,临界值预警等功能,如图1所示。

设计有4个数字量输出,8个数字量输入和2个模拟量输入,选取CPU222,模拟模块选用EM231,RS485总线通讯方式实现设备连接。

2.1 智能恒温模块

智能恒温模块是实时纠正池内温度与预设温度的偏差,采用双金属片控温加热棒,PT100作为温度测量元件。PT100信号经温度变送器转变成4~20ma标准电流送入模拟量输入模块。系统有温度显示模块,实时显示沼气池内温度。

2.2 防涨池模块

农村小型沼气池内正常工作气压以≤8个大气压,池内最大气压限值≤12个大气压。压力仪表选用量程在0~0.6MP的数字压力远传表BD-801Y,变送输出为4~20ma标准电流信号。智能减压环节主要靠沼气池内压力检测值与设定值比较来决定电动阀的开启关闭时刻,电动阀选择防爆系列电动阀。

2.3 智能节能系统

智能节能系统是利用自动恒温模块和压强检测模块相互配合来实现减少能源损失的。当沼气池内压强在8大气压强以下时,池内加热器将维持30℃左右的温度,保证池内菌群保持较高的产气率;当池内压强在8~11个大气压强之间时,温度保持在15℃左右,使池内菌群保持较低的产气率,维持池内气压稳定,保护沼气池壁的作用;当池内压强在11~12个大气压之间时,维持温度在5~10℃左右,能使产甲烷菌群几乎不产气,达到控制沼气压强,减少能量的损失;若沼气池内压强高于12个大气压强,处理器启动排气管的上的电动阀,将一部分沼气排除沼气罐。

2.4 防结壳系统

考虑池内存在大量可燃性气体,对于大中型沼气池,采用增安型防爆电机置于沼气池外部提供动力;小型农用沼气池,因沼气储量不大,采用防爆等级低的微型隔爆型直流电机。

3 太阳能沼气池智能控制系统软件设计

控制部分由上位机和下位机构成。下位机实现程序设置、端口功能和I/O接线设置。上位机完成对下位机采集的现场参数实时显示、记录保存、临界值预警、远程操作,如图2所示。

采用组态王实现监控功能。组态画面包含池内温度记录的实时趋势曲线、历史温度曲线。为保证系统的运行稳定和安全,设计报警记录,并在一定时间内保存报警事件发生的时间、类型等相应的信息。

4 结论

对设计的主要功能部分,进行了实物的连接,程序制作。包含有智能恒温部分,防结壳部分,和远程监控部分的实物制作。经过软硬件结合的实物模型制作,验证了本系统能够可靠稳定运行。

参考文献

[1]王丽颖,林丽华,高虹,贾玲,田瑞.太阳能沼气池热性能实验研究[J],中国沼气,2013,31(2):26-29,33

[2]胡万里,刘荣厚,杜章永.基于S7-200的大中型软体沼气工程控制系统设计[J].农机化研究,2013,(11):215-217

[3]李莉.太阳能沼气池远程测控系统研究[J].鸡西大学学报.2014,14(11):32-34

[4]李丽丽,施伟.太阳能沼气池自动控制系统设计与仿真[J].传感器与微系统.2011,30(9):109-111,114

双轴伺服太阳能跟踪器控制系统设计 篇8

1 控制系统方案

太阳能跟踪技术中, 主要有光电检测法跟踪太阳和基于日地运动轨迹公式的定时法跟踪太阳两种[1,2]。光电检测法采用光敏电阻、硅光电池等光敏元件作为传感器来检测追踪太阳的位置, 该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪方法。这种方法跟踪灵敏度比较高, 但光敏元件在检测太阳光的过程中, 容易受天气情况和环境中杂散光线的影响, 引起误动作, 很难保证跟踪的稳定性。

基于日地运动轨迹公式的定时法跟踪太阳是指通过使用天文学公式, 计算出太阳高度角和方位角, 进而确定太阳位置。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪方法。这种方法稳定性相对而言比较高, 但在计算太阳角度的过程中会产生累积误差, 而且开环控制方式无法进行误差修正, 影响跟踪精度。由此可知, 单一的跟踪方法无法准确地跟踪太阳, 本文采用太阳轨迹跟踪和光电校调相结合的控制方法, 能够避免受环境影响大、累积误差大的缺点, 从而使系统灵敏度高、稳定性好, 可以达到较高的跟踪精度。

2 系统总体设计

系统以单片机STC12C5A60S2为控制核心, 系统电路包括单片机最小系统、四路方位检测电路、辐照度比较电路、时钟电路、2×8键盘电路、电机调速器电路、液晶显示电路、角度测量电路等。系统总体框图如图1所示。

3 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统

系统采用STC12系列单片机, 该单片机具有运行速度快、程序存储器容量大、自带8路10位A/D转换器、编程方便等优点。最小系统由上电复位电路和外部晶振电路组成[3]。

3.2 时钟电路

时钟电路采用DS12C887时钟芯片, 工作在Intel总线时序模式, 时间采用24 h制。该芯片自带晶体振荡器及电池, 在没有外部电源的情况下可工作10年。该芯片与单片机连接方便, 为系统运行提供了精确的基准时间。系统以时钟电路的时间为参考, 按照每5 min调整一次的方式运行。时钟电路原理图如图2所示。

3.3 直流电机调速电路

系统对电机的转速要求非常小, 因此需要对直流电动机调速。通过单片机输出占空比可调的PWM脉冲, 具有控制方便、可节省硬件等特点, 但是由于系统的程序量大, 输出的脉冲很难满足调速的要求, 因此需要硬件生成PWM脉冲。电路如图3所示。

系统采用的直流电机调速器CCM4能够产生脉冲占空比为10%~95%的PWM脉冲, 并由可变电阻调节。该调速器自带外部信号输入端, 通过控制端子控制电机正转、反转、停止, 从而大大减少单片机的外部工作量。

3.4 四路方位检测电路

方位检测电路由4个独立的光电传感器电路组成。4个传感器呈十字形对称放置, 各传感器距离中间交点1 cm, 且传感器之间用交叉不透明的黑色挡板隔开, 从而能通过判断阴影与非阴影区使检测电路始终垂直对着太阳。光电传感器采用光敏电阻, 它是1个光电集成传感器, 其电阻值随辐照度呈线性变化。光电传感器电路是由光敏电阻和固定电阻串联而成的, 并从中间引出信号线到单片机的A/D转换端子上。四路方位检测电路的原理图如图4所示。

3.5 角度传感器电路

角度传感器能够把角度值这一非电量转化成电压信号[4,5], 通过液晶显示屏将显示出来。将用天文学公式计算出的高度角和方位角理论值与角度传感器检测的实际值进行比较, 得出偏差信号, 然后编程执行控制算法, 驱动执行机构进行相应的动作。选择NTRON公司的Angtron-RE-25系列角度传感器, Angtron-RE-25的标准外径为25 mm, 标准轴径为6 mm, 最高可提供11位/周分辨率, 模拟量输出的电压信号0~5 V。角度传感器的输入端连接10 kΩ电阻和4.7 n F电容, 用以滤除外界干扰, 信号输出端接单片机的A/D转换端子。角度传感器硬件连接如图5所示。

3.6 键盘电路

键盘电路采用CH451L扩展2×8键盘, 通过键盘输入当地的时间和经纬度。键盘电路接口具有简单、占用CPU资源少、性价比高等优点。键盘中0~9为数字键, A~F为功能键, 其中A键为显示时间, B键为显示经纬度, C键为时间设定键, D键为经纬度设定键, E键为自动运行模式, F键为手动运行模式。电路原理图如图6所示。

4 系统软件设计

4.1 软件流程图

本系统的软件部分由主程序和各个功能子程序模块组成。主程序包括系统初始化、读EEPROM数据、角度测量、方位传感器检测、时钟显示、经纬度显示、方位角控制、高度角控制。系统初始化包括LCD初始化、CH451初始化、A/D转换初始化、DS12C887时钟芯片初始化。主程序流程图如图7所示。

4.2 计算太阳高度角和方位角

根据天文计算公式, 由当地时间、地理经度和纬度等求得当时的太阳高度角和方位角。然后根据计算的高度角和方位角与角度传感器实际测量的角度作比较, 得出偏差信号, 控制电机转动。本文给出计算太阳高度角和方位角的算法。

太阳高度角的计算公式:

式中, α为太阳高度角, φ为当地的地理纬度, δ为太阳赤纬角, ω为太阳时角。

太阳赤纬角δ是太阳光线与地球赤道的夹角, 以北为正。一年内, 太阳赤纬角在±23。27"之间变动。要确定某一天的太阳赤纬角, 可以利用下面的公式 (2) 进行近似计算。

式中, DAY为从1月1日起, 到计算日的天数, 例如2月22日, DAY=31+22=53。

太阳时角ω是指当地真太阳时。地球一天24 h自转360。, 每个小时自转角为15。。但是在我国统一使用北京时间即东8区作为标准时间, 锦州当地的真实时间与标准时间有差别, 其计算如下式:锦州时间=北京时间- (120-锦州当地经度) /15 (3)

太阳时角计算公式:

ω= (锦州时间-12) ×15 (4)

太阳方位角的计算公式如公式 (5) 所示, 其中:φ、δ含义同上。

5 系统调试

系统首先搭建实物模型, 该模型由模拟电池板 (500 mm×400 mm) 、可带电池板运动的双轴系统 (横纵轴) 、两个带减速器的伺服直流电机 (12 V、1.8 A, 减速比505:1) 、底座、齿轮 (齿数比150:24) 、轴承等辅助机构组成。

系统编程调试过程中, 分为正常工作和校准调整两种运行模式。正常工作运行模式时, 采用四路方位检测电路, 检测出水平方向和仰俯方向光电传感器随光照强度不同而输出不同的电阻值, 电阻值转换为电压值输出, 当偏差大于0.5 V时, 把此偏差作为PID控制器的输入, 控制器根据两个偏差值的大小来调节直流电机的转速。系统连续运行时, 容易出现累积误差, 在正常工作运行模式运行1 h后, 进入系统的校准调整模式。在校准调整模式中, 以时钟电路的时间为基准, 从键盘电路输入当地的经纬度, 根据天文学计算公式, 计算太阳的高度角和方位角, 把此计算值和角度传感器检测值作比较, 当偏差大于0.1。时, 调整直流电机的运行方向和速度大小, 使电池板垂直于太阳。

本系统中采用的PID算法如下:

(1) 根据实际的调试情况, 设定偏差阈值为ε=0.5 V;

(2) 当检测值的偏差e (k) >ε时, 用PD调节, 可以提高系统的响应速度, 避免过大超调;

(3) 当检测值的偏差e (k) <ε时, 采用PID, 可以减小调节时间, 保证系统的控制精度。

采用如上所述的模型和控制算法, 经调试验证, 系统可以实时地跟踪太阳运行, 延时时间小于0.1 ms, 运行过程中检测太阳的高度角和方位角与理论值计算之间的偏差小于0.1。。

6 结语

本文在分析太阳能跟踪器的研究现状及不同跟踪方式的优缺点的基础上, 提出一种新的太阳跟踪方案。系统以STC12系列单片机为控制器, 硬件电路主要有单片机最小系统、四路方位检测电路、时钟电路、键盘显示电路、电机调速电路、角度传感器电路等。软件部分包括计算太阳高度角和方位角、主程序流程、时钟读写程序、键盘扫描中断、LCD显示、方位角调整和高度角调整等子程序。系统经调试运行, 结果表明系统工作稳定、实时性好, 能正确完成对太阳的跟踪。系统同时具有控制装置简单、成本低、跟踪精度高等特点。

参考文献

[1]卢宗春, 舒志兵, 高延荣.基于C8051F020的太阳能聚光伺服跟踪系统[J].机床与液压, 2009 (9) :190-192.

[2]关继文, 孔令成, 张志华.高精度太阳能设计与实现[J].自动化与仪器仪表, 2010 (3) :23-25.

[3]欧阳名三, 余世杰, 沈玉樑.采用单片机的太阳能电池最大功率点跟踪控制器[J].电子技术, 2002 (12) :49-51.

[4]杨帮文.最新传感器实用手册[K].北京:人民邮电出版社, 2004.

太阳能控制系统 篇9

斯特林太阳能发电是一种热能发电方式,该方式以太阳热能作为斯特林发动机的动力来源,从而带动发电机进行发电[1,2,3,4]。和传统的光伏发电相比,斯特林太阳能发电的效率要比光伏发电要高,同时成本比光伏发电要低。由于这些优点,今年来斯特林太阳能发电系统受到越来越多的关注。

目前斯特林太阳能发电系统主要采用碟式结构。碟式结构通过反光镜将太阳光聚集在集热盘上,利用集热盘的高温热能作为斯特林发动机的动力来源。为了实现太阳能利用率极大化,碟架需要动态的跟踪太阳位置,这样对于碟式斯特林太阳能发电系统来说,高精度的阳光检测传感器和完善的控制系统对发电效率影响很大。

本文在碟式太阳能发电系统基础上,研究设计了阳光检测电路,并对整个太阳跟踪系统的硬件和软件进行了设计。

1 阳光跟踪原理

本系统阳光跟踪是通过透光孔透射光斑,通过传感器检测光斑和中心位置的偏差,计算太阳方位并进行太阳跟踪。检测原理如图1所示。

设暗室高度H,光斑和中心轴线偏差L,则太阳偏差角度为

光电传感器检测到的光斑坐标是二维的,因此太阳偏差角通过θx和θy表示,因此式(1)扩展为式(2):

式中:Lx为光斑沿x向偏离量,Ly为光斑沿y向偏离量。

检测到太阳偏离角后,控制系统调节执行机构,将光斑调整到中心位置。系统控制原理如图2所示。

2 光电检测部分

光电检测部分主要完成光斑位置检测,为控制系统提供实际太阳位置,供控制系统判别控制。光电检测部分传感器采用PSD传感器。PSD(Position sensitive Detectors)是一种新型的半导体光电位置敏感器件,它能把成像在敏感面上的光斑位置信号转换为电信号输出,该传感器抗干扰能力强、分辨率高、精度高、响应快,特别适合用于跟踪太阳光线[5,6]。传感器外观如图3所示。

PSD有X1、X2、Y1、Y2四个电极输出引脚,将PSD传感器放入开有一个光孔的暗盒内,当一束光落在PSD上坐标为(x,y)位置时,如图4所示,输出电流和位置的关系分别满足式(3)和式(4)。

根据上述公式,通过计算四路光电流,就可以得到光斑位置,即得到当前太阳的位置关系。处理电路的设计如图5所示。

PSD的4路光电流输出信号首先进行I/V变换,将电流信号转变为电压信号,然后分别进行加法和减法处理。前级加减运算结果再送入AD734进行除法运算,最后经过AD转换后送入单片机。单片机最终通过RS485接口实时地将太阳的对应关系送入太阳跟踪控制系统。

3 系统总体硬件设计

阳光跟踪系统采用模块化设计思路进行设计。根据功能的划分将整个系统分为UI控制器模块,数据中心模块,运控控制模块三部分。其中UI控制器模块提供人机交互功能,数据中心模块提供数据运算处理和控制指令发送等功能,运动控制模块实现执行机构驱动功能。三个模块均自带处理器,能独立完成相应功能,各模块之间通过CAN总线进行连接,构成了集散(DCS)测控框架。CAN是一种现场总线,实时性、可靠性、抗干扰性都很优秀。采用模块化的方式虽然增加了系统硬件的复杂性,但是改善了系统的可维护性和可靠性。系统硬件原理框图如图6所示。

3.1 UI控制器模块设计

UI控制器模块用于提供人机交互。MCU选用ST公司的ARM处理器STM32F103C4,显示部分采用128*64的OLED显示屏,4行32个汉字的显示量满足使用。按键采用独立式按键接口方式,直接接到MCU的IO上,采用查询的方式进行获取键值。所有操作指令通过CAN总线传输到数据中心模块进行处理,所有的显示数据由CAN总线发回进行显示。

3.2 数据中心模块设计

数据中心模块是系统的主控制器,主要用于读取所有传感器数据,并将控制数据送至运动控制模块进行控制和UI控制器进行显示。

MCU选用STM32F105RB,带有5个串口和2个CAN口。GPS传感器,PSD传感器,碟架高度角、方位角编码器,气象传感器均通过RS485传输检测数据。

GPS传感器可以通过卫星得到经纬度、日期、时间,用于控制系统的视日运动轨迹跟踪方式。

PSD传感器可以获取太阳的位置信息和光强信息,用于控制系统的光电跟踪。

气象传感器检测到超工作极限的大风天气时,可以控制碟架调整到最佳角度进行大风规避,保证碟架的安全。

3.3 运动控制模块设计

运动控制模块用于接收运动控制指令、输出控制步进电机运转的脉冲,同时实时读取水平、俯仰限位开关状态。

由于机械机构上很难做到碟架在所有的方位角上载荷均衡,所以电机的负荷是不均匀且惯性较大的,要考虑步进电机在工作时失步对控制的影响。为确保电机的运动控制,运动控制模块还实时接收数据中心模块发送的高度角、方位角数据,形成闭环系统,实现上层控制程序对电机通透的控制功能。

步进电机的输出脉冲由FPGA实现。一方面由于电机负荷的不均匀性,另一方面为了减少对减速机构的冲击,在控制上步进电机采用逐步加减速的方式。步进电机的速度和脉冲频率成正比,由MCU实现比较细且比较均匀的频率变化比较困难,而FPGA的工作频率比较高,可以实现精细的频率输出,并且通过状态机可以实现硬件看门狗防死机,可靠性要远远高于MCU。

4 系统软件设计

对阳光进行跟踪可以采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪两种方式[7,8,9,10]。

光电跟踪的方式可以追踪最强的太阳光线方向。虽然PSD传感器灵敏度高,结构简单,但是在使用过程中受天气的影响很大。如果在多云天气时进行跟踪,受到云层的影响,会使跟踪偏离,还会使碟架姿态调整频率过高,造成机械磨损损耗加大。如果长时间太阳被云层遮挡,会导致PSD传感器无法跟踪太阳直至超出跟踪范围。所以,光电传感器对天气状况的适应能力较差。

视日运动轨迹跟踪方式不受云层的影响,可以进行全天候跟踪。虽然能通过水平角、高度角传感器实现碟架姿态的精确控制,但也只是半闭环的控制,因为最终的控制目标是将太阳光准确的聚集至集热盘,系统误差无法消除。

由于PSD传感器既可以提供太阳的位置数据,又可以提供太阳辐射的强度数据,在控制上,可以根据太阳光光强的不同大小进行不同的处理。在辐射强度较弱的时候,进入视日运动轨迹跟踪方式,可以避免在云层遮挡时候盲目跟踪。

所以最终采用光电跟踪和视日运动轨迹跟踪结合的方式。控制流程图如图7所示。

由于PSD传感器安装在碟架上随碟架一起运动,采用基于PSD传感器的光电跟踪是最直接的跟踪方式,结构简单,跟踪精度高。根据光斑在PSD传感器上的位置,可计算出太阳的位置关系,再进行误差放大进行运动控制补偿。流程图如图8所示。

在地平坐标中,太阳的位置可以由高度角α和方位角γ来确定。

式中:δ太阳赤纬角,φ为当地的纬度角,ω为时角。

通过GPS模块自动获取碟架的地理位置和标准时间,计算视日运动轨迹。同时GPS模块中带有RTC,在没有接收到GPS信号时,也可以读取正确的实时时间。视日运动轨迹跟踪的流程图如图9所示。

最终完成了阳光跟踪系统的完整设计。图10为实际设计产品。

5 结束语

本文设计了斯特林太阳能发电太阳跟踪系统。在分析太阳跟踪偏差检测和方位角调整原理基础上,设计了太阳跟踪光电检测电路和系统总体测控硬件系统,设计了系统测控软件。所设计硬件系统和软件已经成功应用于斯特林太阳能发电系统,性能可靠,运行效果良好。

摘要：针对碟式斯特林太阳能发电系统阳光跟踪问题,设计了基于DCS体系的阳光跟踪控制系统。该系统采用PSD传感器和硬件计算电路实现光电检测,采用ARM处理器实现UI控制器模块、数据中心模块和运动控制模块的设计,各模块独立完成运算和处理功能,通过CAN总线进行通讯。在所设计硬件平台上,设计光电跟踪测控程序和视日运动轨迹跟踪程序。所设计测控系统成功应用于实际斯特林太阳能发电系统,运行稳定可靠,精度高。

关键词：斯特林发动机,太阳能,光电跟踪,运动轨迹跟踪,ARM

参考文献

[1]朱辰元,彭小方.碟式斯特林太阳能热发电的技术发展[J].能源技术,2011(,12):507-511.

[2]韩旭.浅析碟式太阳能发电技术[J].能源与节能,2012(,3):17-18.

[3]厉剑梁,兰维,吕渤林.碟式斯特林太阳能热发电系统结构仿真研究[J].华电技术,2012(,7):68-71.

[4]唐大伟,李铁,桂小红.斯特林发动机与碟式太阳能热发电技术的研究进展[J].新材料产业,2012(,7):40-46.

[5]柳艳敏,商潇潇,解东水.太阳能追日系统控制装置的研究[J].中国新技术新产品,2012(,10):16-17.

[6]唐雯,王应海.一种PSD传感器在跟踪系统中的应用[J].电子技术,2008(,7):33-35.

[7]陆仲达,田群宏,张金龙.一种太阳方位跟踪器控制系统的设计[J].鲁东大学学报(自然科学版),2012(,1):18-22.

[8]凌好,刘荣忠,郭锐,王宇波.基于STM32的太阳自动跟踪控制系统的设计[J].计算机测量与控制,2012(,2):383-385.

[9]张瑜,路博.一种高精度的太阳跟踪方法[J].可再生能源2012(,2):103-106.

太阳能控制系统 篇10

人类社会进入21世纪,正面临着化石燃料短缺和生态环境污染的严重局面。太阳能电池器件的效率要提高1%～2%非常困难,而实际应用中,由于设计不当导致光伏系统效率减少10%～20%的情况却屡见不鲜[1]。本设计以ARM Cortex M3为内核的STM32F103ZET6为控制核心;控制两路带编码器的直流电机调整支架的高度角与方位角;多路传感器采集环境信息降低功耗、提高系统稳定性。提高太阳能电池板转换效率30%以上[2]。与同类型产品比较成本较低,精度较高,产品在各地运行稳定,得到客户好评。

1 算法简介

如何实现太阳高度角和方位角的准确定位,是设计的核心。但是即使跟踪误差在5°～100°之间,提高的发电量仍然能保持在98.5%左右[3]。算法的精度得以保证的前提下,更重要的是系统的稳定性。本设计采用的跟踪算法,利用纬度φ、赤纬角δ、时角ω、时间以及日期序号n等信息,以及简单公式构成。首先,由公式(1)计算出太阳的赤纬角[4]:

δ=23.45sin[360×(284+n)/365] (1)

其次,根据时间计算出时角[4],由公式(2)计算出太阳的高度角α[4]:

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω (2)

最后由公式(3)换算出太阳的方位角γ[4]:

cosγ=(sinαsinφ-sinδ)/cosαcosφ (3)

而后线性转换为电机的旋转角度与上升高度。算法简洁,易于实现,只需调用C语言的数学库函数即可实现三角函数的换算,采用32位的ARM控制器,运算速度快,且精度较高。

2 系统硬件设计

双轴跟踪控制系统的硬件主要由微控制器、电机驱动电路、直流电机、执行机构、彩色触摸屏、照度传感器、风速传感器、限位开关等模块构成。系统框图如图1所示。

2.1 控制核心

STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的32位的ARM Cortex-M3内核,时钟频率达到72MHz。在72MHz时消耗36mA,待机时下降到2μA,同类芯片功耗最低。通过天文规律根据支架所在地经纬度、对应时间计算出对应的太阳高度角与方位角,并转换为蜗轮蜗杆的旋转角度与推杆的上升或下降高度。

2.2 驱动电路

蜗轮蜗杆电机、推杆电机均为直流电机,蜗轮蜗杆由直流电机、减速器与编码器,扭矩25 N·M;推杆由直流电机加编码器,额定输出功率均为100W。为了驱动两路直流电机,驱动电路设计选择Freescale公司的集成5.0 AH-桥驱动芯片MC33886。电路结构简单,且内置欠压、过热、过流保护电路,工作稳定。单路驱动电路如图2所示。

2.3 人机交互电路

人机交互采用3.2寸320x240(RGB)彩色触摸TFT LCD显示屏,采用ILI9320 LCD显示控制芯片,可由STM32的FSMC接口进行显示控制与数据输入;触摸屏采用XPT2046四线电阻触摸屏控制芯片,SPI接口控制与数据读出。操作直观,输入方便,为控制系统提供良好的人机交互界面与键盘控制。操作界面如图3所示。

2.4 传感器电路

为了实时地监控环境变化,系统中包括照度传感器、风速传感器、温度传感器、以及限位开关等传感器。照度传感器用于检测白天光照强度,并检测阴天与多云天气,作为系统自动跟踪启动或暂停的判断条件,避免在光照不足的情况下不必要的功耗损失。风速传感器用于检测大风恶劣天气,当检测到风速大于阈值一定时间后,将支架平铺,防止支架因大风受损。STM32自带温度传感器,监控系统工作温度与环境温度,防止系统工作过热造成器件损坏。限位开关用于控制速度与防止电机过转,预防太阳能支架损坏。

3 系统软件设计

系统软件由控制部分与参数设置部分构成。控制部分分为手动模式与自动模式,手动模式用于系统安装调试,自动模式用于双轴自动跟踪,自动模式软件流程图如图4所示;参数设置部分包括系统时间、经纬度等系统参数的设定。

为提高系统软件稳定性,软件结构采用顺序循环结构。并且使用了软件自动修复技术,在强外界干扰下系统非正常复位时自动跳转至断点出运行,进一步提升系统软件抗干扰能力。

4 系统调试

利用等比例小型太阳能双轴跟踪支架,做系统调试,并测量支架的高度角与方位角数据,调试过程中跟踪支架运行稳定,跟踪效果良好。系统调试如图5所示。

5 结束语

本设计成本相对较低,系统功耗低,更易于被市场接受。系统由多路传感器与电机驱动电路构成, 结构简单,基于小型太阳能支架上完成实验,基本满足跟踪精度要求,工作稳定。本文设计可应用于太阳能电池板跟踪支架控制系统,充分发挥太阳能电池发电效能,降低发电成本。

参考文献

[1]杨金焕,于化丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.

[2]Ibrahim Reda,Afshin Andreas.Solar position algorithm for solar ra-diation applications[J].Solar Energy,2004(76):577-589.

[3]孙玉巍,石新春,王丹,等.基于经纬度计算的太阳自动跟踪系统[J].中国电力,2011,44(11):63-67.

[4]王炳忠,汤洁.几种太阳位置计算方法的比较研究[J].太阳能学报,2001,22(4):413-417.