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倾角传感器在太阳能跟踪系统中的应用研究

倾角传感器,倾斜传感器,角度传感器

文章来源:【工业电器网】 作者:转载 点击:次 时间:2014/9/15 14:04:03 转载:

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。


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