倾角传感器在太阳能跟踪系统中的应用研究

摘要：太阳能以其普遍性、永久性、无污染、分布广、利用方便等优点成为各国竞相研究和开发的热点。对太阳能跟踪控制系统中的倾角传感器应用进行了研究，以检测太阳能电池板的倾角，使得太阳能电池板在俯仰方向上与太阳的高度保持一致。设计了倾角传感器检测电路，通过对倾角传感器输出数据的采集和滤波处理，滤除了太阳能电池板在转动过程中因抖动而产生的随机误差信号，实现了在俯仰方向上的精确测量。
关键词：太阳能跟踪系统；倾角传感器；角度测量；软件滤波

0 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。
    本文对太阳能跟踪控制系统中的倾角检测与控制进行了研究，重点对倾角传感器检测电路、倾角传感器输出数据的采集和滤波处理进行研究，从而实现倾角的精确测量。

1 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1所示。

    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，其控制流程如图2所示。

2 倾角检测模块设计
2．1 芯片的选取
    本文中选择了SCA60C单轴倾角传感器，是一种加速度计，内部由一个硅微传感器和信号处理芯片组成，采用SMD形式封装，先测量地球引力在测量方向上的分量，再将其转换为重力加速度与传感器敏感轴之间的夹角，以此来测量支架的倾角。该传感器单极5 V供电，灵敏度为2V／g，测量范围为-1～1 g(对应的倾角变化范围为-90°～90°)，电压输出范围为0．5～4．5V。倾角与输出电压的对应计算公式为：
   

    式中：Offset为倾角传感器处于相对水平位置时的输出电压；Sensitivily为倾角传感器的灵敏度。
    针对SCA60C单轴倾角传感器的输出特性，本文选用了STC12C5604AD单片机，是宏晶科技生产的单时钟／机器周期的新一代8051单片机，具有高速、低功耗、超强干扰的特性，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8～12倍。具有4路PWM、8路高速10位A／D转换，无需专用编程器与仿真器，通过串口(P3．0／P3．1)就可以直接下载程序，大大地节约了设计成本。
2．2 倾角检测模块设计
2．2．1 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3所示。

2．2．2 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：
   

    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4所示。

3 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5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5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。

    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：
   

    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5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25mV。
    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6所示。

    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。

4 结语
    本文研究了倾角传感器在太阳能跟踪发电系统中的应用，设计了模块的硬件电路，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了处理，达到了理想的输出效果，精确地反馈了太阳能电池板俯仰角度，使得对太阳的跟踪实时有效，提高了太阳能电池板的接收效率。