全方位太陽(yáng)輻照度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)一種以DSP為核心的全方位太陽(yáng)輻照度測(cè)量系統(tǒng)，利用安裝在云臺(tái)上的太陽(yáng)能電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)以獲取全方位的太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，既可以測(cè)試太陽(yáng)能電池板在各種安裝方式(如平放、斜放和幕墻)下的發(fā)電效率，又可對(duì)光伏建筑一體化的光伏電站建設(shè)方案進(jìn)行評(píng)估，還可在建成之后對(duì)光伏電站的發(fā)電狀態(tài)進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)輻照度；光伏建筑；DSP；云臺(tái)

引言
通過(guò)對(duì)長(zhǎng)期采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得到當(dāng)?shù)毓夥ㄖ惑w化中太陽(yáng)能電池板在不同方位角和俯仰角下的發(fā)電效率，以此來(lái)評(píng)估在光伏建筑一體化中光伏發(fā)電方案的可行性。

1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)由云臺(tái)、太陽(yáng)能電池板、太陽(yáng)總輻照度傳感器和控制系統(tǒng)構(gòu)成，其工作原理框圖如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)控制云臺(tái)，使得安裝在云臺(tái)上的太陽(yáng)能電池板能夠在縱向和橫向上掃描，從而采集到全方位的太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)。太陽(yáng)總輻照度由控制系統(tǒng)直接讀取安裝在固定水平面上的太陽(yáng)總輻照度傳感器而得來(lái)，其值是用來(lái)標(biāo)定太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率所折算得到的全方位太陽(yáng)輻照度。在實(shí)際的光伏發(fā)電中，由于太陽(yáng)能電池板的固有特性，太陽(yáng)總輻照度不能完全表征光伏發(fā)電的效率，因此通過(guò)太陽(yáng)能電池板的發(fā)電功率所折算得到的太陽(yáng)輻照度在光伏建筑一體化中才有實(shí)際的指導(dǎo)意義。我國(guó)大部分地區(qū)處住北回歸線以上，縱向上能夠讓太陽(yáng)能電池板在水平和垂直方向之間轉(zhuǎn)動(dòng)，橫向上能夠讓太陽(yáng)能電池板在正東和正兩方向之間經(jīng)過(guò)正南轉(zhuǎn)動(dòng)，即可滿足設(shè)計(jì)要求。通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)控制云臺(tái)，就可以獲取太陽(yáng)能電池板準(zhǔn)確的方位角和俯仰角，方位角的范圍為0～180°，俯仰角的范圍為0～90°。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)以ADSP-BF506F(簡(jiǎn)稱BF506F)處理器為核心，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。BF506F處理器內(nèi)核時(shí)鐘可高達(dá)400MHz，片上有68 KB L1存儲(chǔ)器、4 MB可執(zhí)行閃存，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)采用了BF506F處理器的UART的DMA方式，具有SPI、TWI、PWM單元、TIMER、ADC、PGIO等各種接口和功能單元，可方便實(shí)現(xiàn)云臺(tái)的控制、數(shù)據(jù)的采集以及與PC機(jī)的通信。

BF506F處理器通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)控制云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，讓安裝在云臺(tái)上的太陽(yáng)能電池板能夠在橫向和縱向上轉(zhuǎn)動(dòng)；云臺(tái)內(nèi)部有限位開(kāi)關(guān)，通過(guò)調(diào)節(jié)限位開(kāi)關(guān)的位置來(lái)設(shè)定太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍；當(dāng)太陽(yáng)能電池轉(zhuǎn)動(dòng)了一定的角度后，BF506F就采集一次數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)，所采集的數(shù)據(jù)包括太陽(yáng)總輻照度和太陽(yáng)能電池的電壓、電流值；當(dāng)BF506F接收PC機(jī)發(fā)送的指令后就執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行。
2．1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路以東芝的TB6560為主芯片，其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。步進(jìn)電機(jī)控制信號(hào)有3個(gè)(CLK、CW、ENABLE)，分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度、電機(jī)正反方向以及使能，均須用光耦隔離后與芯片連接。光耦的前向和后向電源應(yīng)該是單獨(dú)隔離電源，否則不能起到隔離干擾
的作。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引腳分別為電機(jī)2相輸出接口，內(nèi)部集成了續(xù)流二極管。

NFA、NFB分別為電機(jī)A、B相最大驅(qū)動(dòng)電流定義引腳，其最大電流計(jì)算公式如下：
IOUT=0．5 V／RNF
若預(yù)先定義電機(jī)每相的最大驅(qū)動(dòng)電流為2．5 A，取RNF=0．2Ω。M2、M1為細(xì)分設(shè)置引腳，外接撥碼開(kāi)關(guān)可設(shè)定不同的細(xì)分值，如整步、半步、1／8細(xì)分、1／16細(xì)分。由于步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)，需要細(xì)分解決。為盡可能減小電機(jī)發(fā)熱，需要TB6560的TQ2和TQ1引腳電平在電機(jī)工作時(shí)設(shè)置為電流輸出最大，在電機(jī)不工作時(shí)電流減半甚至更小，故稱為“自動(dòng)半流電路”。用NFA、NFB定義最大輸出電流后，通過(guò)TQ2和TQ1設(shè)置電流比率輸出，設(shè)為00、01、10、11時(shí)，輸出的電流分別為最大電流的100％、75％、50％、25％。改變電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流，也就改變了電機(jī)輸出扭矩的大小。
2．2 太陽(yáng)總輻照度測(cè)量電路
太陽(yáng)總輻照度在本系統(tǒng)中是一個(gè)標(biāo)定量，用來(lái)標(biāo)定通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池的功率來(lái)計(jì)算得的太陽(yáng)輻照度。太陽(yáng)總輻照度是通過(guò)讀取國(guó)家一級(jí)輻照傳感器TBQ-2值而得到的。太陽(yáng)總輻照度傳感器輸出的信號(hào)電壓為0～20mV，對(duì)應(yīng)的是輻照度為0～2000 W／m2，因此先對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大，再進(jìn)行模／數(shù)轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)計(jì)算即可得到太陽(yáng)總輻照度的值。

太陽(yáng)總輻照度的測(cè)量電路如圖4所示。信號(hào)放大所采用的是增益可編程、高性能儀表放大器AD8221，通過(guò)單一電阻可在1～1000范圍內(nèi)設(shè)置增益。模／數(shù)轉(zhuǎn)換采用的是帶有SPI接口的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC2543。BH506F核心板通過(guò)SPI接口即可讀取太陽(yáng)總輻照度的值。

式中，UIN為太陽(yáng)總輻照度傳感器的輸出信號(hào)電壓，其范圍為0～20 mV；因?yàn)橐獙?～20 mV信號(hào)放大到0～5 V，所以RG的值為198．4 Ω；太陽(yáng)總輻照度Ee的單位是W／m2；可測(cè)量到的最大輻照度Emax為2000W／m2，可放大到的最大電壓Umax為5V。
2．3 太陽(yáng)輻照度測(cè)量電路
由于太陽(yáng)能電池發(fā)電的功率與太陽(yáng)的輻照成正比，本系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量太陽(yáng)能電池板的功率來(lái)計(jì)算太陽(yáng)輻照度。其測(cè)量電路如圖5所示。AV +、AV-為太陽(yáng)能電池板電壓輸出的正極和負(fù)極，RE為高精密的測(cè)量電阻，RL為5 W的功率電阻；SDA和SCL為T(mén)WI接口的兩根信號(hào)線，接BF506F核心板的TWI接口。BF506F通過(guò)TWI接口可以直接讀取VIN-相應(yīng)的電壓UVIN-，以及VIN+和VIN-的電壓差UVIN。

根據(jù)雙向電流、電壓與電源監(jiān)控器INA209的測(cè)量原理和太陽(yáng)輻照度與太陽(yáng)能電池發(fā)電功率的關(guān)系可以計(jì)算出太陽(yáng)輻照度。太陽(yáng)能電池板電流IRE和太陽(yáng)輻照度Ep的計(jì)算公式如下：

式中，太陽(yáng)輻照度Ep的單位為W／m2；S為太陽(yáng)能電池板的面積，其值為637 cm2；ψ為多晶硅太陽(yáng)能電板的轉(zhuǎn)換效率，其值為12％。
2．4 系統(tǒng)通信部分
系統(tǒng)通信原理框圖如圖6所示，采用RS485來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。本文的測(cè)量平臺(tái)是放置在較為空曠的室外，以便能采集到較為理想的數(shù)據(jù)，而接收機(jī)(PC機(jī))放置在室內(nèi)，這兩者之間的距離比較遠(yuǎn)，采用RS485總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸能夠符合本系統(tǒng)的要求。在此用的是全雙工通信方式，即發(fā)送和接收可同時(shí)進(jìn)行，互不受影響。采用4根信號(hào)線，2根負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，另外2根負(fù)責(zé)發(fā)送數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
圖7為系統(tǒng)的程序流程。上電后先對(duì)BF506F核心板進(jìn)行初始化，包括初始化UART、ADC、TIMER、PGIO、SPI、TWI等。當(dāng)系統(tǒng)初始化完成
后便開(kāi)始運(yùn)行主程序，首先測(cè)量并計(jì)算運(yùn)動(dòng)控制算法所需要的各個(gè)參數(shù)，要測(cè)量的有縱向電機(jī)從水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直方向的總步數(shù)和橫向電機(jī)從正東方向轉(zhuǎn)動(dòng)到正西方向的總步數(shù)。當(dāng)計(jì)算完參數(shù)后就開(kāi)始執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制算法A，執(zhí)行完畢后對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法B的起點(diǎn)進(jìn)行重新定位，然后執(zhí)行控制算法B。當(dāng)執(zhí)行完運(yùn)動(dòng)控制算法B后對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法的各個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新測(cè)量和計(jì)算，如此一直循環(huán)下去，直到程序被停止。

算法A中縱向步進(jìn)電機(jī)通過(guò)頻繁地來(lái)同轉(zhuǎn)動(dòng)可獲得縱向上(俯仰角)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)；算法B中橫向步進(jìn)電機(jī)通過(guò)頻繁地來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)可獲得橫向上(方位角)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。此兩種算法在不停地交替執(zhí)行，不但可以在橫向和縱向上獲取豐富準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，而且可以延長(zhǎng)步進(jìn)電機(jī)的使用壽命。
在本系統(tǒng)中，定義正東方向?yàn)?°，正南方向?yàn)?0°，正西方向?yàn)?80°，通過(guò)控制橫向步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使得太陽(yáng)能電池板在橫向0°和180°之間轉(zhuǎn)動(dòng)；定義太陽(yáng)能電池板與地面平行時(shí)為0°，太陽(yáng)能電池板與地面垂直時(shí)為90°，通過(guò)控制縱向步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使得太陽(yáng)能電池板在縱向0°和90°之間轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)還定義橫向?yàn)閄，縱向?yàn)閅，則太陽(yáng)能電池板運(yùn)動(dòng)到某一點(diǎn)時(shí)可用(x，y)來(lái)表示。下面是算法A和算法B的具體執(zhí)行過(guò)程。
算法A的起點(diǎn)為(0，0)點(diǎn)，終點(diǎn)為(180，90)點(diǎn)?？v向步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)90°，橫向步進(jìn)電機(jī)就向180°點(diǎn)(正西方向)方向轉(zhuǎn)動(dòng)3°，當(dāng)橫向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到180°點(diǎn)后就結(jié)束算法A。其程序執(zhí)行順序如下：
①縱向步進(jìn)電機(jī)從0°點(diǎn)向90°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)1°。
②判斷縱向電機(jī)是否到達(dá)90°點(diǎn)，“是”則接著運(yùn)行，“否”則返回第1步。
③橫向步進(jìn)電機(jī)從0°點(diǎn)向180°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)3°。
④判斷橫向電機(jī)是否到達(dá)180°，“是”則結(jié)束算法A，“否”則接著運(yùn)行。
⑤縱向步進(jìn)電機(jī)從90°點(diǎn)向0°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)1°。
⑥判斷縱向電機(jī)是否到達(dá)0°點(diǎn)，“是”則接著運(yùn)行，“否”則返回第5步。
⑦橫向步進(jìn)電機(jī)從0°點(diǎn)向180°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)3°。
⑧判斷橫向電機(jī)是否到達(dá)180°，“是”則結(jié)束算法A，“否”則接著運(yùn)行。
算法B的起點(diǎn)為(180，90)點(diǎn)，終點(diǎn)為(0．0)點(diǎn)。橫向步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)動(dòng)180°，縱向步進(jìn)電機(jī)就向0°點(diǎn)(水平方向)方向轉(zhuǎn)動(dòng)3°，當(dāng)橫向步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到0°點(diǎn)后就結(jié)束算法B。其程序執(zhí)行順序如下：
①橫向步進(jìn)電機(jī)從180°度點(diǎn)向0°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)1°。
②判斷橫向電機(jī)是否到達(dá)0°點(diǎn)，“是”則接著運(yùn)行，“否”則返回第1步。
③縱向步進(jìn)電機(jī)從90°點(diǎn)向0°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)3°。
④判斷縱向電機(jī)是否到達(dá)90°，“是”則結(jié)束算法B，“否”則接著運(yùn)行。
⑤橫向步進(jìn)電機(jī)從0°點(diǎn)向180°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)1°。
⑥判斷橫向電機(jī)是否到達(dá)180°點(diǎn)，“是”則繼續(xù)，“否”則返回第5步。
⑦縱向步進(jìn)電機(jī)從90°點(diǎn)向0°點(diǎn)運(yùn)動(dòng)3°。
⑧判斷縱向電機(jī)是否到達(dá)0°，“是”則結(jié)束算法B，“否”則返回第1步。

結(jié)語(yǔ)
本系統(tǒng)的硬件實(shí)物圖如圖8所示。設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是為了獲取全方位的太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)，其要求是在準(zhǔn)確的方位角和俯仰角下采集到精確的太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)。在本系統(tǒng)中，影響數(shù)據(jù)精度的有兩個(gè)方面：一是測(cè)量電路本身，為了減小太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)的誤差，在硬件上改進(jìn)測(cè)量電路，在軟件上優(yōu)化測(cè)量算法；二是云臺(tái)所造成的誤差，為了更加準(zhǔn)確地定位太陽(yáng)能電池板的方位，可以改進(jìn)云臺(tái)內(nèi)部的步進(jìn)電機(jī)和齒輪，以及優(yōu)化云臺(tái)的控制算法。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期地運(yùn)行本系統(tǒng)，各功能模塊工作正常，測(cè)得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。