倾角传感器在太阳能跟踪系统中的应用研究

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。