1、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
2、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： FG sinq = mg sinq （1） 其中，
3、 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 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RIRIII。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
4、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 RIRIII。反之，若倾斜方向相反，则 RIRIII。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 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
5、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
6、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
7、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CHS0CHS1CHS2 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(07)，P1M1(07)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
8、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
9、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)=1NNi=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，
10、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。 参考文献 1张维胜，自动调平系统设计D.研究生论文，2010. 2吴道悌，非电量测量M.西安交通大学出版社，2011. 3刘四洋.主动式双轴太阳跟踪控制器J.可再生能源，2007. 4张维胜.倾角传感器原理和发展J.传感器世界，2002.
