Yüksek Hassasiyetli Güneş Takip Sisteminin Araştırılması ve Uygulanması
Huang Hangchang 1, Yu Lei 2, Tang Xiaosheng 2, Jiang Xilun 2
(1. Fujian Xinye Investment Management Group Co., Ltd., Xiamen, Fujian 361022; 2. Pekin Posta ve Telekomünikasyon Üniversitesi, Pekin 100876)
Güneş takip sistemi, güneşin konumunu belirleyerek ve gerçek zamanlı olarak takip ederek yeni enerji endüstrisinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Sensörler kullanılarak yüksek hassasiyetli bir güneş izleme sistemi gerçekleştirilir.Sistem, güneşin konumunu kabaca tespit etmek için GPS kullanır ve ardından güneşi ince ve otomatik olarak izlemek için iğne deliği tabanlı bir PSD sensörü kullanır. Sistem, izleme doğruluğunu sağlamak için sensör tasarımını optimize etti; kaba konumlandırma ve doğruluğu birleştirme yöntemini kullanarak izleme algoritması, izleme hızını iyileştirmek için optimize edildi.
Yüksek hassasiyet; güneş izleme; GPS; PSD sensörü; kontrol algoritması
Güneş enerjisi tükenmez ve tükenmez bir yeşil enerjidir.Son yıllarda enerji üretimi, aydınlatma ve diğer endüstrilerde özellikle elektrik, tütün, kültür ve eğitim alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bunların arasında güneş takip sistemi, güneş uygulamalarında önemli bir bileşendir. Bununla birlikte, geleneksel izleme sistemleri genellikle 1.000 katın altındaki ışık yoğunlaştıran sistemlere uygulanabilir. Doğal ışığın aydınlatmaya dönüştüğü alanda, genellikle 2.000 kattan fazla bir ışık odaklama faktörü gereklidir. Mevcut izleme sistemleri, doğruluk açısından gereksinimleri karşılayamaz. Bu nedenle, güneşin yüksek hassasiyetle otomatik olarak izlenmesini sağlamak özellikle önemlidir.
Şu anda, otomatik güneş izleme için iki ana yöntem vardır: biri güneşin yörüngesine dayalı izleme, diğeri ise optik sensörlere dayalı izleme. Yukarıdaki iki yöntemin eksikliklerini hedefleyen bu makale, astronomik algoritmaları, küçük deliklere dayalı GPS ve PSD sensörlerini birleştiriyor ve güneşin yüksek hassasiyetli otomatik takibini sağlamak için izleme tutumunu gerçek zamanlı olarak ayarlamak için hızlanma sensörleri ve çift eksenli adım motorları kullanıyor.
1.1 Optik gereksinimler ve tasarım
Bu makale, izleme sistemini tasarlamak için güneş ışığı fiber aydınlatma uygulamasını seçmektedir. Bu tür bir sistemin konsantrasyon oranı, diğer yoğunlaştırma uygulamalarından çok daha yüksek olan 2.000 kattan fazladır (örneğin, güneş yoğunlaştırmalı güç üretiminin 500 ila 1.000 katı) ve doğruluk gereksinimleri geleneksel sistemlerden çok daha yüksektir. İddia.
Bu nedenle, öncelikle izleme sisteminin doğruluk gereksinimlerini gerçek optik sisteme göre hesaplamak gerekir. Şekil 1, bir optik sistemin optik yapı diyagramıdır. Güneş ışığının paralel ışık olduğu varsayılırsa, Fresnel lensin içinden geçtikten sonra fiber optik yüzeyine odaklanır ve odak faktörü 2400 katına ulaşır. Şekil 2, olay açısı Fresnel lensin optik ekseninden saptığında optik fiber tarafından toplanan enerji kaybını göstermektedir. Şekilden sapma açısı 0,05 ° 'ye ulaştığında enerji kaybının yaklaşık% 10, 0,1 °' ye ulaştığında ise enerji kaybının yaklaşık% 25 olacağı görülmektedir.Güneş toplama verimliliğini maksimize etmek ve izleme sıklığını olabildiğince azaltmak için Bu sistemin güç tüketimi, ± 0,05 ° kapsamlı bir şekilde optimize edildikten sonra bu sistemin tasarım doğruluğu olarak seçilir. Güneşin her 240 saniyede yaklaşık 1 ° 'lik bir açısal sapma oluşturacağı düşünülürse, izleme frekansı 12 saniyeye ayarlanmıştır.
Şekil 1 Optik sistemin optik yapı şeması
Şekil 2 Optik fiber hizalama verimliliği, Fresnel lensin olay açısına göre değişir
1.2 PSD sensör tasarımı
1.2.1 PSD sensörü
Bu sistemde kullanılan iki boyutlu PSD konum sensörü yüksek doğruluk ve hassasiyete sahiptir, 1 çözünürlük ile yani ışık noktasının 1 olan yer değiştirmesi algılanabilir. Sistemde kullanılan metal koruyucu kapağın uzunluğu 80 mm'dir ve formül (1) 'deki a yer değiştirme çözünürlüğünü temsil eder:
Yer değiştirme çözünürlüğü 1 olduğunda, güneş sapma açısı çözünürlüğünün yaklaşık 0,001 ° olduğu hesaplanabilir. Bu sistem, güncelleme hatası eşiği olarak 0.05 ° 'yi seçer ve ilgili yer değiştirme yaklaşık 44'tür, bu durumda sensör doğruluğu tam olarak karşılayabilir. PSD sensörünün 4 sinyal çıkışı vardır ve sensör, küçük deliklere sahip dikdörtgen bir metal kalkan içine yerleştirilmiştir. Yapı diyagramı Şekil 3'te gösterilmiştir.
Şekil 3 PSD sensör yapısının şematik diyagramı
1.2.2 PSD sinyal işleme devre kartı
PSD sensörünün sinyal işleme devre kartı Şekil 4'teki gibi gösterilmektedir. Devrede, PSD sensöründen gelen akım sinyali (PSD0 ~ PSD3) girişi op amp'in ters giriş terminaline bağlanır ve kontrol çipinin AD pinine doğrudan bağlanan op amp aracılığıyla çıkış voltaj sinyaline (AD0 ~ AD3) dönüştürülür.
Şekil 4 PSD sinyal işleme devre kartının şematik diyagramı
1.3 Kontrol devresi tasarımı
Bu kontrol devresinin genel yapısı Şekil 5'te gösterilmektedir. Ana kontrol çipi, GPS modülünden verileri seri port üzerinden alan, AD portu üzerinden PSD sensörü tarafından algılanan güneş ışığı sinyalini okuyan, bu veri sinyallerini işleyen ve analiz eden ve step motorun dönüşünü kontrol eden TI'nin DSP çipini kullanır. , Direksiyonu ve duruşu sürekli olarak ayarlamak için hızlanma sensörünü kullanın ve mevcut direksiyon ve tutum verilerini düzenli olarak E2PROM'a yazın.
Şekil 5 Kontrol devresinin genel yapısı
2 Kontrol ve algoritma
2.1 Kontrol programı bileşimi
Sistemin kontrol programı temelde ana program, kesme programı ve birkaç alt programdan oluşur. Ana program, sistem yapılandırma bilgisini okuduktan sonra büyük bir döngü ifadesinden oluşur Döngü esas olarak mevcut GPS sinyalini okur ve analiz eder, hızlanma sensörü sinyalini okur, verileri E2PROM'a yazar ve mantıksal olarak sistem durumunu kontrol eder. Kesme programı temel olarak PSD verilerini okumak, sistem durumu bayrak biti dönüştürme ve motor sürücü kontrolü için kullanılır. Çeşitli alt yordamlar, çeşitli sensör modülleri için sürücü alt yordamları ve bazı algoritma alt yordamları içerir Algoritmalar, astronomik analiz algoritması, PID kontrolü ve CRC kontrolünü içerir.
2.2 Sistem kontrol süreci
Sistemin kontrol akış şeması Şekil 6'daki gibi gösterilmektedir. Sol ve sağ taraf, sistemin iki durumlu sürecidir.
Şekil 6 Sistem kontrol akış şeması
Sistem yapılandırmayı başlatır ve başlatır, mevcut yatay açı bilgilerini ve PSD sensör referans değeri bilgilerini E2PROM'dan okur; daha sonra GPS sinyalini okur ve analiz eder, güneşin mevcut yükseklik açısını ve güneye göre gökbilimsel algoritmalarla eğim açısını hesaplar; ardından sürüşe başlar Dikey adımlı motor, yükseklik açısını konumlandırır ve yatay adımlı motor, kaba taneli konumlandırmayı tamamlamak için istenen konum izlenene kadar yatay açıyı konumlandırmak için yatay adımlı motoru tahrik eder.
Sistem, konumlandırma ve izleme sürecinde PSD sensörünün değerini sürekli olarak okuyacaktır.Belirli bir zamanda okunan değer ince ayar aralığı içindeyse, sistem hemen ince taneli izleme moduna girecek ve ince tane ayarlama alt yordamını yürütecektir.
Sol ve sağ tarama sırasında ince ayar aralığı girilmezse, sistem genel olarak güneşin mevcut yüksekliğini ve azimutunu hesaplamak için GPS kullanan kaba taneli izleme moduna girmeye başlar ve ardından sistem kaba taneli konumlandırma gerçekleştirir. Her dört dakikada bir yerini tespit edecek ve ince ayar aralığına girene kadar hassas izleme gerçekleştirecektir. Büyük taneli izleme süresi önceden ayarlanmış eşikten büyükse, program yürütmeye devam etmek için sol ve sağ tarama işlemine geri döner.
Ana programın sürekli döngüsü sırasında, sistem ayrıca aralıklarla GPS sinyallerini okur.Geçerli zamanın sistemin kapalı kalma süresi içinde olduğunu algılarsa, sistem hemen off-duty reset programını çalıştıracaktır. Sistem kapatıldıktan sonra, düşük güçte çalışma moduna girer ve güncel saat bilgisini düzenli olarak okur. Halihazırda çalışma saatleri olduğu tespit edilirse, sistem düşük güç tüketimi modundan devam edecek ve ana programın başından itibaren çalışmaya devam edecektir.
3. Sonuçlar ve tartışma
Bu makale bir güneş izleme sistemi uygulamakta ve işleyişini ve toplanan verileri gözlemlemekte ve analiz etmektedir.
3.1 İnce taneli izleme etkisi
Sistemin PSD sensörü, güneşi algılamak için küçük bir delik görüntüleme yöntemi kullanır, bu nedenle algılama hassasiyeti ve izleme doğruluğu çok yüksektir. İlk olarak, Şekil 7'de gösterildiği gibi, ince taneli izleme altında çıktı optik gücünün zamanla nasıl değiştiğini gözlemleyin. % 100 referans değer olarak ince parçacık boyutu izleme sırasında sonraki zaman diliminde ışık akısı çıktısının ortalama değerini ve ordinat okuma olarak diğer değerlerin bu değere oranını seçin. İnce taneli izleme altında çıktı optik gücünün dalgalanma aralığının her zaman% 1,0 içinde tutulduğu ve çıktının çok kararlı olduğu görülebilir.
Şekil 7: İnce ayrıntılı izleme altında çıktı optik güç değişim diyagramı
3.2 Büyük taneli izleme etkisi
Sistemin erken safhasında, GPS verileri aracılığıyla güneşin yörüngesinin kaba parçalı izleme hatası nispeten büyüktür. Bu makale, deneyler yoluyla kaba taneli izleme altında sistemin iç mekan ışık yoğunluğu verilerini kaydeder ve Şekil 8'de gösterildiği gibi, ince taneli izleme altındaki iç mekan ışık yoğunluğu verileriyle karşılaştırır. Bir gün içinde, kaba taneli izlemenin ışık okumalarının genel iz etkisinin, ince taneli izleme eğrisi ile tutarlı olduğu ve yaklaşık 340 lümenlik ışık yoğunluğu farkının korunduğu görülebilir. Hatanın tutarlılığı, astronomik analiz algoritmasının güvenilirliğini gösterir, böylece GPS kullanılarak güneş izinin kaba taneli konumlandırılması, güneşin yaklaşık konumunu hızla bulabilir.
Şekil 8 İç mekan ışık yoğunluğu verilerinin kaba taneli izleme ile karşılaştırılması
3.3 Kapsamlı operasyon etkisi
Sistemin son altı ayda gözlemlenmesi sonucunda, sistemin esas olarak kaba taneli konumlandırma, tarama ve kaba taneli ayarlamada yoğunlaşan zaman alıcı olduğu ortaya çıktı. Kaba taneli konumlandırma için GPS ile birleştirilen sistem, güneşin yaklaşık azimutunu en yüksek hızda bulabilir ve ince taneli konumlandırma için PSD sensörüyle birlikte güneşi doğru bir şekilde izleyebilir.
4. Sonuç
Bu kağıt, yüksek hassasiyetli bir güneş izleme sistemi tasarlar ve yapar. Sistem izleme hızı ve doğruluğu açısından birçok optimizasyon yapmıştır.Küçük delikli görüntüleme yönteminin kullanılması doğruluğu artırır ve kaba taneli konumlandırma için GPS kullanımı da sistemin izleme hızını artırır. Sistem deneysel olarak test edilmiştir ve ışık konsantrasyonunun 2.400 katı gereksinimlerini tam olarak karşılamaktadır ve güneş enerjisi ile ilgili alanlarda yaygın olarak kullanılabilir.
Referanslar
Li Zhimin, Liu Xinyue, Tang Runsheng Dikey tek eksenli paletli güneş panellerinin optik performansı Yenilenebilir Enerji, 2011, 36 (1): 64-68.
LYNCH W A, SALAMEH Z M. Basit elektro-optik kontrollü çift eksenli güneş izci Solar Energy, 1990, 45 (2): 65-69.
MOUSAZADEH H, KEYHANI A, JAVADI A, et al.Güneş sistemleri üretimini maksimize etmek için ilke ve güneş izleme yöntemlerinin bir incelemesi Yenilenebilir ve Sürdürülebilir Enerji İncelemeleri, 2009, 13 (8): 1800-1818.
REDA I, ANDREAS A. Güneş radyasyonu uygulamaları için güneş pozisyon algoritması Solar Energy, 2004, 76 (5): 577-589.
LIU B, ÜRDÜN R. Ekvatora doğru eğimli yüzeylerde günlük güneşlenme ASHRAE J (Amerika Birleşik Devletleri), 1961, 10:53.
Zou Jian, Ji Xing, Du Haitao.Yeni bir güneş otomatik izleme sistemi üzerinde araştırma Optoelektronik Teknolojisi, 2010, 30 (3): 159-163.
Clifford Eastwood.Yeni bir pasif güneş takip cihazının tasarımı Solar, 2004, 77 (3): 269-280.
Henrik Lund. Sürdürülebilir kalkınma için yenilenebilir strateji.Enerji, 2007, 66 (2): 919.
AET üyeleri için yıl sonu avantajları!
