倾角传感器

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倾角传 感器在太阳能跟踪系统中的应用研究

来源:锋华电子  |  时间:2014-09-01  |  浏览:605

    摘要:随着社 会的发展与进步,重视倾 角传感器在太阳能跟踪 系统中 的应用具有重要的意义。本文主 要介绍倾角传感器在太阳能 跟踪系 统中的应用的有关内容。 关键词; 倾角;传感器;太阳能;跟踪系统;应用; 中图分类号: tp212.9 文献标识码: a 文章编号: 引言 随着经济的高速发展,对于能 源的需求和由之带来的高污染问题 日趋突出。太阳能作为一种新型、清洁能源,发展前景相当广阔, 目前已 成为各国竞相研究和开发的热点,而如何 高效地获得太阳能 资源是 当前一个重要的课题。传统的 太阳能接收板大部分采用固定 安装形式,而太阳 的方位角度和高度是随时间变化的,所以这种固 定安装 的电池接收板的转换效率较低。经理论分析,光伏发电系统 是否采 用对太阳的自动跟踪方式, 能量的 接收效率相差达 40%~50% 之多,而采用 双轴跟踪可增加发电量 35%~40%,因此,开展对太阳 光线自 动跟踪方面的研究,对于光 伏发电系统的发展有着积极的实 际意义。 一、倾角传感器原理 倾角传 感器经常用于系统的水平测量,从工作原理上可分为“固 体摆”式、 “液体摆”式、 “气体摆”三种倾角传感器,下面就它们 的工作原理进行介绍。 1、 “固体摆”式惯性 器件固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服

    系统,由摆锤、摆线、支架组成, 摆锤受重力 g 和摆拉力 t 的作 用,其合外力 f 为: f=g sinq = mg sinq (1) 其中,θ 为摆线 与垂直方向的夹角。在小角 度范围内测量时,可 以认为 f 与θ 成线性关系。如应变 式倾角传感器就是基于此原理。 图 1 液体摆原理示意图 2、 “液体摆”式惯性 器件液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有 导电液,并有三 根铂电极和外部相连接,三根电 极相互平行且间距 相等,如图 1 所示。当壳体水平时,电极插 入导电液的深度相同。 如果在 两根电极之间加上幅值相等的交流电压时,电极之间会形成 离子电流,两根电 极之间的液体相当于两个电阻 ri 和 riii。若液 体摆水平时,则 ri=riii。当玻璃壳体倾斜时,电极间的导电液不 相等,三根电 极浸入液体的深度也发生变化,但中间电极浸入深度 基本保持不变。 如图 2 所示, 左边电极浸入深度小, 则导电液减少, 导电的离子数减少,电阻 ri 增大,相对极则导电液增加,导电的 离子数增加,而使电阻 riii 减少,即 ri>riii。反之,若倾斜方 向相反,则 ri<riii。在液体 摆的应用中也有根据液体位置变化引 起应变片的变化,从而引 起输出电信号变化感知倾角的变化。在实 用中除此类型外,还有在 电解质溶液中留下一气泡,当装置倾斜时 气泡会 运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆” 。

    图 2 倾角为α 时液体摆原理简图

    3 “气体摆”式惯性 器件气体在受热时受到浮升力的作用,如同 固体摆 和液体摆也具有的敏感质量一样,热气流 总是力图保持在铅 垂方向上,因此也具有摆的特性。 “气体摆”式惯性元件由密闭腔 体、气体和热线组成。当腔体 所在平面相对水平面倾斜或腔体受到 加速度的作用时,热线的阻值发生变化,并且热 线阻值的变化是角 度 q 或加速度的函数,因而也具有摆的效应。其中热线阻值的变化 是气体 与热线之间的能量交换引起的。 “气体摆”式惯性器件的敏 感机理 基于密闭腔体中的能量传递,在密闭 腔体中有气体和热线, 热线是唯一的热源。当装置通电时,对气体加热。在热线能量交换 中对流是主要形式。 二、太阳能 跟踪控制系统方案 本文研 究的太阳能跟踪系统由监控中心、太阳能 跟踪控制两大部 分组成。监控中 心主要完成太阳能板的状态监测与控制,而太阳能 跟踪控 制则是本系统的核心部分,由水平 方向与俯仰方向(即倾角) 上的两个电机驱动,完成电 池板的自动跟踪功能,其机械示意图如 图 3 所示。

    图 3 双轴支架机械结构图 实际系统控制中,根据 gps 输出的时间信息、经纬度信息,可以 得到太 阳的实时方位角和高度角,通过控 制电机来调整双轴支架, 完成对太阳的跟踪。系统采 用步进式视日跟踪,即双轴支架的运转 并非连续性的,而是给定一个阈值,如果当 前太阳角度与太阳能电

    池板角 度的差值超过设定的阈值时,再启动 两个电机完成角度的调 整,这样既 降低了支架转动而消耗的能量,又提高 了太阳能转换效 率。 三、倾角检测模块设计 3.1 硬件电路设计 倾角传 感器模块安装在太阳能电池板的下表面,完成支架倾角的 采集。工作状态下,sca60c 的模拟 电压输出信号输入到单片机的 a/d 采集端口,转换后 的数字量信号通过串口与主控箱中的单片机 通信,完成角度反馈,其硬件电路设计如图 4 所示。

    图 4 倾角检 测模块系统结构图 3.2 软件设计 单片机的 8 路 a/d 口需要通过对 adc_contr 寄存器中 chs0\chs1\chs2 三位的 设置来选择使用的模拟输入通道, 并且必须 将其设 置为开漏模式或高阻模式,即需要对 p1m0(0~7),p1m1(0~ 7)中相应位进行设置,如本例中选择 p1.2 为 sca60c 的电压信号采 集端,为开漏模式,则设置为: adc_contr |= 0x02;// 选择 p1.2 为 a/d 的转换端口 p1m0 |= 0x40; // 设置转 换端口为开漏模式 p1m1 |= 0x40; 第一次启动 a/d 转换时,需给适 当延时以确保内部模拟电源的稳 定;转换结束后,结束标 志位需要由软件清零。该倾角模块软件流

    程图如图 5 所示。

    图 5 软件设计流程图 四、倾角传 感器数据采集与滤波处理 本文中, 每隔 300 ms 采集一 次倾角传感器输出电压, 电池板从 0° 匀速转到 90°后得到的数据如图 6 所示。 图中 x 轴表示电池板转动 90°所用的时间,y 轴为对 应时间下传感器输出的电压值。 图 6 中所示 的传感器输出电压信号显然不能作为电池板的角度信 号反馈给 mcu,否则可 能会导致俯仰方向上驱动电机的误动作,产 生意想不到的后果,因此需要进行滤波,去除毛刺信号。

    图 6 倾角传 感器输出的原始信号 设倾角 传感器输出电压值为 xi,则每 n 组数据进行平均后,得到 平滑后的输出值为: yi=1n(x1+x2+„+xn)=1n∑ni=1xi 如果 n 取值很大,输出信 号的平滑度则很高,但是会降低灵敏度, 且还受 到本文中所选择单片机 ram 的大小的限制;n 取值很小则又 达不到滤波效果。实验验证,本应用中 n 取 20 可得到很好的滤波 效果。 由图 6 可以看出,输出信 号脉冲干扰信号很多,所以必须要做限 幅处理。限幅滤 波设置一个阈值,如果前 后两次输出值的差值小于 等于这个阈值时,本次值有效;相反则舍弃本次值,同时用上次值

    代替本次值。本文依 据太阳初升及落山时刻,电池板初始对准及回 收动作 下的电压变化最大幅值设置阈值。可算得 其最大转动速度为 0.75°/s,则对应 的输出电压最大差值应该为 25 mv。 本方法 有效地结合了限幅滤波和算术平均滤波各自的优点,先利 用限幅 滤波算法去除了超出阈值的无效脉冲数据,再使用算术平均 滤波平滑输出信号,输出信号效果图如图 7 所示。

    图 7 联合滤波后的数据图 可以看出,其平滑 度有了很大的改善,满足了 控制系统的要求, 表明了 此联合滤波算法的应用是有效的。 结束语 研究倾 角传感器在太阳能跟踪发电系统中的应用,可以设计模块 的硬件电路,根据本 应用环境的因素,利用两 种滤波方法的优点对 输出信号进行处理,达到理想的输出效果,精确地 反馈太阳能电池 板俯仰角度,使得对 太阳的跟踪实时有效,提高太 阳能电池板的接 收效率。

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