独立单轴主动太阳能跟踪器基于MATLAB/Simulink的设计、建模和测试外文翻译资料

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独立单轴主动太阳能跟踪器基于MATLAB/Simulink的设计、建模和测试

C.S. Chin ^a,A. Babu ^b, W. McBride ^b

[a]泰恩河畔纽卡斯尔大学海洋科学与技术学院，泰恩河畔纽卡斯尔NE17RU，英国.

[b]纽卡斯尔大学工程与建筑环境学院工程学院，Callaghan，NSW 2308，澳大利亚.

摘要

本文论述了独立单轴主动太阳能跟踪器的设计、建模和测试。所提出的这种太阳能追踪器具有紧凑性，使得它能被固定在墙壁。太阳辐射由位于光伏（PV）面板表面的两个光敏电阻（LDR）传感器检测。这种智能追踪系统以不同的模式运行，以提供足够的灵活性适应不同的天气条件和不同用户的偏好。光伏电池板在白天根据光照强度自行旋转，在晚上系统则处于“睡眠”模式以减少能量的消耗。这个独立的太阳能追踪系统是由MATLAB /Simulink来建立电脑模型。在实际实施之前，可以确定固定太阳能电池板的效率，发电量和实现所需要的效率水平的光伏系统的类型。实验测试显示与模拟结果一致。

关键词：光伏追踪；MATLAB；太阳能电池板；单片机；建模

1.绪论

在21世纪，可再生能源将会成为能源生产中越来越重要的一部分。除了有助于减少温室气体的排放，它们也通过减少对化石燃料的依赖，增加了能源组合急需的灵活性^[1]。在可再生能源里，由于太阳能广泛存在、取之不尽用之不竭以及可持续性，使得它成为最必要和最优先的可持续能源。无论太阳光间歇性如何，太阳能都能被广泛获取，而且完全免费。最近，光伏系统被一致认可且广泛用来转换用于电力装置的太阳能。它可以通过太阳辐射产生直流电（DC），此过程不会对环境造成影响，也不会有任何排放。直流电源通过逆变器转换为交流电源，为本地负载供电或反馈到公用设施^[2]。作为一个半导体元件，光伏系统适合于绝大多数低维修费用的操作。

PV应用可以根据与公用电网的互动方案进行分组：电网连接型，独立型和混合型。光伏系统包含一台光伏发电机（电池，模块以及阵列）、储能装置（例如电池组）、交直流电机和功率调节元件。最为普遍的方法是将光伏电池并入电网中使用。然而，为了解光伏电池的辐射性能和达到最佳的辐射效率，独立式光伏电池引起了人们的兴趣，尤其是在太阳能追踪系统领域。

这些年来，测试和研究表明智能太阳能追踪器极大地提高了能量的产生。在这个竞争激烈的先进科学发现世界，自动化系统的引入改善了所存在的能量生产方式。在引入太阳能追踪方法之前，固定太阳能电池板基于所处位置被安放在一个合适的倾斜方向。这个倾斜角取决于系统中是否有轻微的冬季偏差或夏季偏差。光伏系统将会在北半球面朝正北，在南半球面朝正南。当光伏追踪系统的倾斜角与太阳高度的季节性变化同步的时候，最好实现光能追踪。

少数太阳追踪系统方法已经被检测和评估可以使光伏电池板与阳光保持垂直。一个理想的追踪器允许光伏电池板准确地面朝太阳，补偿太阳高度角（全天）及纬度偏移（季节性变化期间）和方位角的变化。鉴于此，存在两种主要类型的太阳能追踪器：被动（机械）和主动（电）追踪器。可见于详细的文学综述中^[3]。

一类被动太阳能追踪器是固定太阳能板。它被水平的安装在固定的平地上，并且朝上面对天空。但是绝大多数的被动太阳能追踪器基于手动调节的面板^[4]，热量的扩散通过一些记忆金属^[5]或者两块铝合金的双金属条。通常这种跟踪器由相互对等的致动器组成，通过相等的照明平衡。另一个被动跟踪技术是基于面板两端之间的质量不平衡^[6]。这组的追踪器并没有使用任何电力控制或马达。太阳加热圆柱管内的液体导致蒸发并将其转移到另一个圆柱管中，从而产生了质量不平衡。相比于主动太阳能追踪器，被动太阳能追踪器更简单但是工作低效。尽管无源追踪器的成本低，但它们并没有被消费者广泛接受。

另外一类是主动追踪器，其主要分为基于微处理器的追踪器、基于电脑控制时间和日期的追踪器、基于辅助双面电池的追踪器以及以上三种系统联合的追踪器^[7-10]。在基于微控制器的太阳能追踪系统中，与直流电机相连接的有一个控制器。一旦位置被选定后，方位角仰角变化范围即被确定，角度变化台阶也可被计算出来。传感器经常应用于这种太阳能追踪器设计。比如将一个光电阻^[12,13]放入一个顶部开有小孔的暗盒中来检测光照或者用被称为光敏电阻（LDR）^[11,14]的光传感器来检测辐射强度。

图1工作设计模型 图3 实际制作模型

在辅助双面太阳能电池系统中，双面电池检测并驱动追踪系统到期望的位置。在这种设计中，去掉了像电池和驱动电力装置这样的组件。因此，这是一种非常简单的应用于空间和陆地的太阳能追踪器。这种追踪系统使用可编程序逻辑控制器（PLC）^[16,17]，要求的位置被计算出来，然后由PLC计算输出来调节光伏电池板朝向太阳的方向。在另外一种使用带有传感器的微控制器和基于日期和时间系统联合的方法中^[18,19]，传感器将信号发送给微控制器，比如偏光计（测试太阳辐射的直射光束）。通过使用实时时钟，分析在白天收集的数据，在接下来的一天将采用新的改进过的参数来计算太阳位置并使循环持续。

图2 电机和PV面板支架之间的传动系统

图4 独立太阳能跟踪系统示意图

综上所述，主动追踪器的主要区别在于使用外部传感器减小指向误差的能力，误差越小，从而使得太阳能电池接受的日常辐射及产生的电能越多。一项比较研究证明，追踪装置的功率消耗仅为所增加的能量的2%-3%。双轴追踪器的年可用能量比固定面高出72%，单轴东西向追踪器则高出30%。但是双轴或多轴追踪器比起单轴追踪器更复杂，维护成本更高。此外，由于新加坡接近等分线，无论海拔如何，太阳直接从东方升起，从西方落下，所以单轴太阳能追踪器更适合应用于这些地区。基于以上所提及的追踪系统，我们认为单轴主动追踪系统设计和维护更简单方便。除此之外，因为新加坡天气变化的不确定性，基于光感技术的独立工作系统并不实用。因此我们有一个想法，将时间追踪技术和光感追踪技术结合到一个追踪系统中。随着大量的高层建筑在新加坡建起，每个家庭使用壁挂式设计的想法成为了一个有吸引力的选择。

安装有传感反馈和定时时钟控制的新型太阳能追踪系统能在自动和预设模式下运行。系统切换模式的能力证明是一个重要的特征。太阳的位置与状态由位于光伏面板表面首尾端的两个光敏电阻传感器检测。在自动模式下，来自于传感器的信号被送入到一个电力控制系统中，这系统运行有一通过减速系统来旋转面板的低速直流电动机。在这种模式下，太阳不能被持续跟踪，为避免电动机消耗能量，该系统会在当夜晚来临后进入睡眠状态。在当前模式下，太阳能追踪器旋转在一个从日出到日落的预设角度。在手动模式下，太阳能跟踪器通过经由PIC单片机的输入手动增加或减小角度来设置为所需的角度。在所有模式中，夜间返回算法将面板重新定位到面向东（在日出时）的初始起始位置。

除此之外，PV面板和电力机械系统的电脑模型由MATLAB和Simulink软件进行建模，以模拟太阳能追踪器的运行能力。在文献资料中^[20]，使用简单的VC 程序来提供一个图形用户界面接口，并使用计算机打印机端口控制正常直流电源输出，以精确模拟太阳能电池板的特性。如书所述^[21-23]，MATLAB和Simulink被用来建模和分析PV模型特性。但是，还没有人尝试建立包含直流电机、驱动传送、微控制器输出、电池和充电模块的机电系统的电力PV独立系统的模型。不管怎样，机电系统是PV系统至关重要的一部分，当它们在主动太阳能追踪器中有设计不完善时，会使得输出效率和功率这样的整体性能有所下降。考虑到这一点，使用MATLAB和Simulink对包含一张PV面板、一个伺服电机、一个电池、一个充电器、两个LDR传感器、一个外部负载和一个微控制器的PV独立系统进行建模。

这篇论文提出使用MATLAB和Simulink对包含恒定负载的光伏系统的太阳能电池追踪器建模和仿真。本论文的组织结构如下：第二部分概述单轴追踪器的机电系统；第三部分描述提出的MATLAB和Simulink模型；第四部分是实验和测试；第五部分阐述结论。

2.太阳能追踪系统说明

2.1机械结构

选好太阳能板和其他组件后，太阳能追踪器的整体结构设计如图1所示，该图使用机械设计软件SolidWorks建模。整个太阳能追踪器重3千克，整体尺寸为340mm times;270mm times; 500mm，它的紧凑性使得它能被安装在墙上。该追踪器包含光伏面板、滑轮-链条传动系统、电动机、电子板和带有底座支撑的垂直支柱。整个结构由铝制的杆和底座构造而成，为使得面板旋转时有更好的灵活性，支撑面板的支柱与面板中心对齐。将该追踪系统设计为单轴旋转（由东到西），并且电动机的安装方式使其只有一种单轴旋转自由度。支撑传感器的装置被安装在光伏面板的两端且对齐以获得太阳辐射度。

PV面板框架支架（如图2所示）具有穿过PV面板宽度的支撑杆。由两轴承支撑的杆上齿轮经滑轮-链传统系统直接与电动机轴相连接。并入两端的机械制动器来限制面板的旋转。如图1所示，组件沿着安装在基座盘上的垂直支架分布。实际制作模型如图3所示。

2.2 电力系统

整个的机械和电力子系统在太阳能追踪系统中的结合如图4所示。太阳能跟踪系统的框图主要由电气部件组成。该追踪器包含一个光伏面板、充电控制器和铅酸蓄电池。其他子系统也同样被使用，比如说LDR传感器、稳压器、微控制器-PIC18F4520板。LDR传感器感受光照密度，然后将信号传送到微控制器，通过伺服电机旋转PV面板。电能随后被存储在铅酸蓄电池，该电池将会用来为各个组件供电。

光伏电池是将太阳能转化成电能的设备。所选的太阳能板可以产生10W功率。根据供应商的规格，它重达1.3千克，尺寸为341mmtimes;269mmtimes;28mm。稳压器与太阳能面板单元一起提供，需要12V的电源供应，允许的最大电流为5A。稳压器对电池实行过充电保护，该电池为各个电子组件供电，比如微控制器PIC18F4520板、稳压器和电压调节回路。

LDR传感器（NORPS）被用来感受光辐射强度，它是一个电阻值随着投射在它表面的光照密度变化而变化的可变电阻。LDR传感器电路设计为分压电路，如图5所示。传感器电路输出一个被用作PIC微控制器输入的模拟电压。

表1 不同电阻下的电压变化记录

在光照下测试的传感器电路如图5所示。为得到一个合适的电阻值R，需测试不同电阻的各种值来确定一个合适的电阻。期望的电阻值应能够在不同天气条件下保证一个合适的供应电压。测试的电阻值如表1所示。从测试结果可知，改变电压回路中的电阻值有利于改善输出的灵敏度，100 Omega;的电阻被发现适合于用来区分晴天和阴天。

驱动机械包括伺服电机和滑轮-链传动系统。微控制器控制伺服电机（HS-805BB）。控制器输出PWM（脉冲宽度调制）信号驱动伺服电机在与6 V最大电压对应的控制速度下运行。PWM波是0 V至6 V之间变化的连续方波信号。脉冲的持续时间和宽度决定轴的旋转角度。

图5 LDR传感器回路

图6 电压调节回路

电压调节回路被用来将电压调节到一个合适的水平，以提供适合微控制器、充电控制器和LDR传感器使用的电压。电压调节回路（使用IC UA723芯片）如图6所示。从电池流出的12 V输入电压经回路作用降低到6 V。回路含有一个散热器来散发由长时间持续使用产生的热量。

微控制器被用来控制伺服电机。它接收LDR传感器发出的信号，在此过程中，模拟电压被转化为数字信号（逻辑信号1或0）。使用的处理器是Microchip 公司的PIC18F4520。如图7所示，PICKIT2编程器用于将MPLAB集成开发环境（IDE）连接到目标板。为给微控制器PIC18F4520目标板编程，选择使用MPLAB C18编译软件的MPLAB-IDE。C语言程序可以被写进MPLAB中，然后进行编译，最后下载到目标板， 工作流程见图7。该图说明了使用PICkit2编程器工具包将PC连接到微控制器PIC18F4520目标板。

图7 使用PICKit2编程器下载C程序过程

表示上述LDR传感器、伺服电机、充电控制器以及微控制器稳压器的完整的接线原理图如图8所示。所有的电子组件被焊接板上，并且在安装在太阳能追踪平台前进行测试。

回过来看，太阳能追踪器有三种运行模式，分别为：自动、预设和手动操作模式。在自动模式下，PIC微控制器旋转PV面板以平衡两个LDR传感器接收的光照密度。当两个传感器因为天气条件接收到一个低压时，PV面板被编程待机15分钟，并自动切换到预设模式（使用内部实时时钟），在这种模式下，PV面板被编程为在每15分钟向西旋转2°。如果感受到朝西方向的极端位置（日落时），夜间返回算法会将面板重新定位到向东的起始位置（日出）。在手动模式下，通过使用PIC微控制器的输入手动增加或减少角度，可以旋转面板到合适的角度。一旦PV面板处于一个合适角度，追踪器将切换回自动模式。

3.独立太阳能追踪系统建模

这部分的主要任务是在自动模式下使用MATLAB/Simulink对单轴太阳能追踪器仿真。仿真建模的所有数据从组件的数据表或是从实验获得。对整个10小时或是36000秒的实验里的每一秒都在进行仿真运行。快速加速模式将模拟时间减少到大约180秒的实时时间（1秒的模拟时间相当于180秒的真实时间）。当仿真执行时间超过了代码生成的时间，相比于正常模式，快速加速模式提供了最好的速度改进。整

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