太阳能跟踪系统研究

以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统1三等奖以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统大学院校：元智大学/电机工程研究所参赛队员：张欣宏吴宗宪余政达指导教师：黄英哲一.设计概述1.设计背景由于现今高科技环境下，能源是促进经济发达和社会进步的原动力。从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量使用造成全球环境生态和气候产生莫大的变化，同时大气中的温室气体浓度大幅提高，造成气温逐渐升高、海平面上升等温室效应的现象，威胁了我们生存的环境。因此在环保意识抬头的今日，积极开发低污染及低危险性能源乃为迫切的需要。而太阳能是一种免费、无污染且又取之不尽、用之不竭，是一种可以利用来发电的一种相当好的能源。而目前的太阳能发电效率普遍都不高，所以如何增加太阳能发电系统的发电效率是值得研究的。由于太阳会随著四季的季节和天气有规律的变化，而太阳能板如能一年里都和太阳成垂直时，其接收日照强度是最好的。目前太阳能电池板的架设大都采固定式，其电池板的板面固定朝向天空中某一方向，并不随著太阳移动而偏向。要增加太阳光照射于太阳电池板上的单位面积照度，有鉴于此，本研究设计追日性能良好的太阳追踪发电系统。而所设计出的机构，除了必须能承载太阳电池面板，也要能让面板在空间中做接近半球面的立体转动，如此才能完全追踪白天太阳在天空中的位置，也因此可以使总体发电量提高。此系统可以提高NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品2照射能量密度，取得光照的最大量、以及在相同的发电量下，使用较少的太阳电池以降低发电成本，因此极具研究发展的重要性。2.太阳能追踪控制系统吾人所设计出的系统架构，使用两颗电机做为驱动源来设计出追日性能良好的太阳追踪装置器，此机构接近半球面立体转动的数组太阳能发电系统，在一样维持两个驱动源(电机)的条件下，要具备有可以组成数组型式的功能，如图1所示。它的优点是仅用两个驱动电机，并且没有耦合上的问题，也就是其中一颗电机的转动角度并不会影响另一颗电机所需要转动的角度，这可以有效降低控制上的困难度。并且此一追踪器并无一般常见双轴运动机构中，有一颗电机必须承载另一颗电机重量的缺点，如此一来，系统的运作能量消耗可以降至最低，使总体发电量提高，也使太阳能发电系统更为经济。基于以上的考虑，且在机构必须能承载太阳电池面板，并使得面板能在空间中做某一范围的立体转动的前提下，太阳追踪器如图2所示。ZYXAB图1数组太阳追踪架构示意图本作品之此数组式机构有两个最重要的优点：(1)光电转换效率高。由于数组太阳追踪器的活动面板具有立体转动的功能，且数组太阳追踪器可以定时追日，因此，系统具有很高的光电转换效率，拥有多产能的优点；(2)机构控制简洁、省能源。数组太阳追踪器追日的两个转动维度，由两个转动角度不相耦合且无需要承载另一个驱动源重量的独立驱动源所控制，同时，旋动面板的整体转动惯量也大幅降低，因此，可以具有系统受控机制简洁且节省运作能源的双重优点。以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统3图2完整太阳能追踪控制平台本作品主要以ALTERAFPGA内含一个Nios微处理器来结合双轴电机追踪控制器，其中以SOPC(System-On-a-Programmable-Chip)概念设计，将微处理器、内存、I/O端口等外围器件集成到一个芯片上，这样集成的优点：加速开发时程，并兼顾设计弹性；采用单芯片的解决方案，电路板可以缩小，节省相关成本；产品测试将变得较为容易，基于上述本系统，以AlteraNiosII完成太阳能追踪控制。二.功能描述在此我们主要设计分成三种模式：1.平衡定位在太阳能平台上初始值时候，利用水银开关做为我们的平衡定位，目的是可以设定四周边界问题，以防止因为边界过于倾斜而平台上四面太阳能板子撞至机构平台，造成电机及平台的损坏。2.自动模式以光敏电阻的受光大小作为我们光源判断为主要追光传感器，可利用此传感器依据太阳光大小经由模拟转数字信号IC回授至FPGA控制器，以NiosII微处理器作为主要控制核心，调整双轴电机将平台调至最佳发电效率位置。NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品43.手动模式当系统发生故障、保养等，我们可以将系统调至手动模式，任意调整位置来进行人员检修。整体太阳追踪装置系统的方框图，如图3所示。图3太阳追踪器服务控制方框图本系统追踪的逻辑流程设计是通过Nios微处理器所构成的控制电路来实现。追踪控制的主要流程如图4所示，其中，FPGA程序流程中的”开始”定义为启动追控电路的电源开关，配合所设计的控制模式和防止外部干扰措施，来达到系统追踪、省能以及保护的目的。其中外部干扰，包含自然天候的影响，例如，风、沙、雨雪、冰雹及盐害（盐对机械机构等的侵蚀）等等。以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统5图4FPGA程序流程图三.性能参数在这里我们使用了以下模块来组成我们的太阳能追踪系统。(1)平衡传感器模块：在系统起始复归时，四个开关皆导通为我们平衡水平状态。(2)模拟/数字模块：对应A/D电子零件为AD0804，其转换时间为100μs，为8比特分辨率的IC。(3)电机控制模块：使用步进电机100μs周期来控制电机速度。(4)中央处理器：自定制的32比特基于RISC结构CPU，要求实现对太阳能系统的控制。在要求精密度上，在模糊控制上时间为不超过0.1秒。平衡传感器模块目的除了复归平衡外，定位水平为0度=262144，另一功能为X和Y轴的边界范围。NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品6四.设计结构以图5所示，我们将以NiosII微处理器为我们的控制核心，并集成我们设计的两轴控制芯片结合．通过光传感器所传送回授数据至FPGA内判断，进行追踪控制法则的演算，如此便可以计算出电机所需要角度，并能做出适当的调整，进而移动太阳能板达到最佳获取功率之倾角。AvalonBus图5系统结构图1.硬件设计首先我们先通过平衡传感器作为系统开始的归零动作，然后将我们设计一传感器用以追踪传感器来判定太阳光源的方位所在，依据感测传回信号作为判断依据成为我们控制器的输入，经由控制设计，输出信号来控制双轴步进电机，进而达到我们太阳能追踪控制系统，以下分别说明硬件介绍。(1)平衡传感器在开始归位平衡时，采用水银开关，又称倾侧开关，是电路开关的一种，以一接著电极的小巧容器存储著一小滴水银，容器中多数注入惰性气体或真空，如图6a所示。因为重力的关系，水银水珠会随容器中较低的地方流去，如果同时接触到两个电极的话，开关会将电路闭合，开启导通开关。依据此特性在机构设计中分别于东西及南北方向加入四个开关，并固定装置，如果四个开关皆导通则此机构保持平衡，实体图如图6b所示。图6a水银开关以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统7图6b平衡传感器实体图(2)传感器设计本研究的设计重点之一是传感器的设计，用以追踪传感器来判定太阳光源的方位所在，故搜寻传感器选用非常重要。由光敏电阻(CadmiumSulphide，简写为Cds)，如图7a所示，不但成本便宜，在设计一个具高可靠度且感光功能良好的传感器，具有下列良好的特性，必须先了解传感器器件的特性，以下将说明传感器的说明。(1)光敏电阻是属于无极性(奥姆结构)，故使用上简易方便。(2)光敏电阻会随著光能强度使内阻抗改变的光可变电阻。(3)光敏电阻于周围环境光变亮时，内电阻会下降。(4)光敏电阻对于光的敏感性(即光谱特性)约在0.4~0.8mm和太阳光的可见光范围波长0.38~0.76mm的响应很接近，如图7b所示。图7a光敏电阻实体图NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品8图7b光敏电阻敏感度范围(3)追踪传感器设计追踪传感器主要经由四颗特性相近光敏电阻构成，负责侦测东西南北四个方向的光源强度，于各方向均有一个光敏电阻，并以45度角朝向光源处，并将该方向设置基座以将该方向以外的光线隔离，以达到快速判别太阳位置的广角式搜索，如图8a所示。四个传感器分为两组，一组是两个光敏电阻做为东西向的传感器，用以比较东西向受光强度的差异。当东西向的传感器接受到的光源强度不一致时，系统会依据东西向两传感器输出电压得到信号，使用电压型模拟数字转换(A/DConverter)、IC(ADC0804)判读到的传感器输出电压数值的不同，判断该方向的受光较强，并且驱动步进电机朝向该方前进，当东西向传感器输出值相等时，则输出的差值为零、电机驱动电压亦为零，即追踪到太阳目前的位置。另一组的南北向传感器，则是相似的原理，用来追踪太阳在南北向的位置，追踪传感器实体外观图如图8b所示。图8a追踪传感器内部设计图以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统9图8b追踪传感器实体外观图(4)A/D转换器一般所量测的电压或电流等连续信号，可称之为模拟信号。把模拟信号转换成数字信号的装置则称为模拟对数字转换器(analogtodigitalconverter,ADC)。数字信号在传送中即使有噪声干扰，它仍然可以把噪声所造成的干扰降至最低，且可利用编码技术使其具有调试的功能；除此之外，数字信号尚有容易存储的优点。在ADC转换IC的选择上，ADC0804为一具有8比特分辨率单信道的20只引脚IC，其使用5V单电源供应工作。模拟输入电压范围为0V至5V，消耗功率为15mW，转换时间为100μs。由于具有8比特分辨率，故有256阶的量化，若参考电压为5V，则每一步阶为5/256=0.01953V。00000000(00H)表示0.00V，11111111(FFH)表4.9805V。ADC0804的不可调误差(unadjustederror)为1LSB，即0.01953V，其中包含满刻度误差、补偿(offset)误差及非线性误差。图9a为ADC0804之引脚图，其中0D到7D为8比特输出埠。当CS(第1脚)与RD(第2脚)皆为低位准(low)时，数字数据则会被送到输出埠。若CS与RD任一引脚为高位准(high)时，则0D到7D为浮接状态。WR(第3脚)可视为启动转换的控制信号，当CS与WR皆为低位准时，ADC0804做清除的动作，当WR回到高位准时，ADC便会开始转换。CLKIN(第4脚)为时序输入，频率范围为100KHz至800KHz。INTR(第5脚)在转换期间为高位准，直到转换完毕时INTR会变为低位准。第6脚)(+inV及第7脚)(−inV为差动模拟信号输入，通常使用单端输入，而将)(−inV接地。ADC0804有两个接地端，一为第8脚模拟接地(AGND)及第10脚数位接地(DGND)。第9脚(refV/2)是二分之一参考电压输入值，若空接则2refV等于电源电压CCV。ADC0804内建史密特触发器(Schmitttrigger)，如图9b所示。若在第19脚CLKR及第4脚CLKIN加上电阻及电容，则可生成ADC工作时所需的时序，其频率约为NiosII嵌入式处理器设计大赛2007—优秀作品10)(1.11ZCLKHRCf≈(1)以此方式便可由R和C来决定时序信号，可不用再由CLKIN端外加时序信号。图9c为ADC0804模拟对数字转换器电路，输入的模拟信号大小由可变电阻VR2控制并由)(+inV端输入，)(−inV短路；2refV由R1，R2及VR1提供；C1及R3用来控制电路的时序，CS与RD两者均接地以使芯片致能(enable)，WR与INTR接到SW1开关以便仿真控制信号。图9aADC0804引脚功能图图9bADC0804内部时序生成电路图9cADC0804模拟数字转换器电路图以FPGA实现智能型太阳能追踪控制系统11表1ADC详细规格表工作电压+5VDC模拟电压输入范围0≤inV≤+5VDC分辨率1/256转换输出值0~255转换频率ckf=1/(1.1×R×C)转换误差±1LSB参考电压+2.5VDCADC转换器完整电路实体图如图9d所示。图9dADC转换器完整电路实体图(5)实体传感器制作依照前述所介绍，水银开关制作成初始值平衡传感器实体电路接线图如图10a所示。123456JP1Bal