全方位太阳辐照度测量系统设计

摘要：设计一种以DSP为核心的全方位太阳辐照度测量系统，利用安装在云台上的太阳能电池板的转动以获取全方位的太阳辐照度数据。通过对采集到的数据进行分析，既可以测试太阳能电池板在各种安装方式(如平放、斜放和幕墙)下的发电效率，又可对光伏建筑一体化的光伏电站建设方案进行评估，还可在建成之后对光伏电站的发电状态进行管理和监测。
关键词：太阳辐照度；光伏建筑；DSP；云台

引言
通过对长期采集到的数据进行分析，可以得到当地光伏建筑一体化中太阳能电池板在不同方位角和俯仰角下的发电效率，以此来评估在光伏建筑一体化中光伏发电方案的可行性。

1 系统工作原理
本系统由云台、太阳能电池板、太阳总辐照度传感器和控制系统构成，其工作原理框图如图1所示。控制系统通过控制云台，使得安装在云台上的太阳能电池板能够在纵向和横向上扫描，从而采集到全方位的太阳辐照度数据。太阳总辐照度由控制系统直接读取安装在固定水平面上的太阳总辐照度传感器而得来，其值是用来标定太阳能电池板的发电功率所折算得到的全方位太阳辐照度。在实际的光伏发电中，由于太阳能电池板的固有特性，太阳总辐照度不能完全表征光伏发电的效率，因此通过太阳能电池板的发电功率所折算得到的太阳辐照度在光伏建筑一体化中才有实际的指导意义。我国大部分地区处住北回归线以上，纵向上能够让太阳能电池板在水平和垂直方向之间转动，横向上能够让太阳能电池板在正东和正两方向之间经过正南转动，即可满足设计要求。通过控制系统来控制云台，就可以获取太阳能电池板准确的方位角和俯仰角，方位角的范围为0～180°，俯仰角的范围为0～90°。

2 系统硬件设计
本系统以ADSP-BF506F(简称BF506F)处理器为核心，其硬件结构如图2所示。BF506F处理器内核时钟可高达400MHz，片上有68 KB L1存储器、4 MB可执行闪存，能够满足本系统的设计要求。本系统采用了BF506F处理器的UART的DMA方式，具有SPI、TWI、PWM单元、TIMER、ADC、PGIO等各种接口和功能单元，可方便实现云台的控制、数据的采集以及与PC机的通信。

BF506F处理器通过步进电机驱动电路来控制云台的转动，让安装在云台上的太阳能电池板能够在横向和纵向上转动；云台内部有限位开关，通过调节限位开关的位置来设定太阳能电池的转动范围；当太阳能电池转动了一定的角度后，BF506F就采集一次数据并将数据发送到PC机，所采集的数据包括太阳总辐照度和太阳能电池的电压、电流值；当BF506F接收PC机发送的指令后就执行相应的动作，从而实现系统的自动运行。
2．1 步进电机驱动电路
步进电机的驱动电路以东芝的TB6560为主芯片，其驱动电路如图3所示。步进电机控制信号有3个(CLK、CW、ENABLE)，分别控制电机的转角和速度、电机正反方向以及使能，均须用光耦隔离后与芯片连接。光耦的前向和后向电源应该是单独隔离电源，否则不能起到隔离干扰
的作。OUT_AP、OUT_AM、OUT_BP、OUT_BM引脚分别为电机2相输出接口，内部集成了续流二极管。

NFA、NFB分别为电机A、B相最大驱动电流定义引脚，其最大电流计算公式如下：
IOUT=0．5 V／RNF
若预先定义电机每相的最大驱动电流为2．5 A，取RNF=0．2Ω。M2、M1为细分设置引脚，外接拨码开关可设定不同的细分值，如整步、半步、1／8细分、1／16细分。由于步进电机在低频工作时，有振动大、噪声大的缺点，需要细分解决。为尽可能减小电机发热，需要TB6560的TQ2和TQ1引脚电平在电机工作时设置为电流输出最大，在电机不工作时电流减半甚至更小，故称为“自动半流电路”。用NFA、NFB定义最大输出电流后，通过TQ2和TQ1设置电流比率输出，设为00、01、10、11时，输出的电流分别为最大电流的100％、75％、50％、25％。改变电机的驱动电流，也就改变了电机输出扭矩的大小。
2．2 太阳总辐照度测量电路
太阳总辐照度在本系统中是一个标定量，用来标定通过测量太阳能电池的功率来计算得的太阳辐照度。太阳总辐照度是通过读取国家一级辐照传感器TBQ-2值而得到的。太阳总辐照度传感器输出的信号电压为0～20mV，对应的是辐照度为0～2000 W／m2，因此先对传感器输出的信号进行放大，再进行模／数转换，最后通过计算即可得到太阳总辐照度的值。

太阳总辐照度的测量电路如图4所示。信号放大所采用的是增益可编程、高性能仪表放大器AD8221，通过单一电阻可在1～1000范围内设置增益。模／数转换采用的是带有SPI接口的12位模数转换器TLC2543。BH506F核心板通过SPI接口即可读取太阳总辐照度的值。

式中，UIN为太阳总辐照度传感器的输出信号电压，其范围为0～20 mV；因为要将0～20 mV信号放大到0～5 V，所以RG的值为198．4 Ω；太阳总辐照度Ee的单位是W／m2；可测量到的最大辐照度Emax为2000W／m2，可放大到的最大电压Umax为5V。
2．3 太阳辐照度测量电路
由于太阳能电池发电的功率与太阳的辐照成正比，本系统通过测量太阳能电池板的功率来计算太阳辐照度。其测量电路如图5所示。AV +、AV-为太阳能电池板电压输出的正极和负极，RE为高精密的测量电阻，RL为5 W的功率电阻；SDA和SCL为TWI接口的两根信号线，接BF506F核心板的TWI接口。BF506F通过TWI接口可以直接读取VIN-相应的电压UVIN-，以及VIN+和VIN-的电压差UVIN。