太陽能最大功率機械跟蹤系統的設計

常熟理工學院電氣與自動化工程學院 段志國 王利豪 范存海 呂 庭

1.引言

我國電力產業中，發電能源多以煤炭為主，面對全球能源危機以及新世紀節能環保，低碳經濟的需求，清潔能源的開發與運用日益受到重視。太陽能作為一種環保、安全、分布廣泛、永不枯竭的公共資源，有著無可比擬的優勢并受到廣大開發者的關注[1]。據測算，每秒抵達地球表面的太陽輻射能量高達8.0×1013kW，相當于550萬噸標準煤燃燒產生的能量。我國的太陽能資源十分豐富，全國有2/3以上的地區年日時數在2000h以上。雖然太陽能總量很大，但由于能流密度較低，到達地面的太陽能每平方米只有1000W左右[2]。

現有太陽能光伏發電系統的太陽能板多為固定安裝，而由于地球的自轉和公轉，太陽的入射角度時刻都在變化，對于某一個固定地點的太陽能發電系統，只有有效保證太陽能光伏電池時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態[3]。為了實現跟蹤太陽運行軌跡，采用光電式太陽能雙軸跟蹤系統，最終在方位角和高度角2個方向實現精確跟蹤。

2.系統結構與實現原理

系統的機械結構如圖1所示，下半部以鐵架作為系統支撐，上半部為安裝有太陽能光伏板的運動云臺，該云臺可在0～180°范圍內實現2個自由度的旋轉。光電傳感模塊必須與光伏電池平行安裝，以保證跟蹤太陽光源的精度。

圖1 系統總框架結構

圖2 系統控制原理

圖2為控制部分的實現原理，以STC12C5A60S2型單片機為控制核心，利用光電傳感模塊實時檢測東西南北四個方向的電壓值，將電壓值送給單片機進行數據處理得到方位信息，調節輸出信號控制X軸和Y軸電機旋轉從而調整電池板姿態，讓太陽光線始終垂直照射于太陽能光伏板。主電路對系統進行升降壓控制，充放電控制以及電路保護。系統工作的同時利用上位機軟件進行遠程監控，準確顯示太陽方位以及電池充放電信息，提高了裝置使用的實用性與便捷性。

3.太陽能最大功率跟蹤系統設計

3.1 光電傳感模塊

光電傳感模塊采用光敏電阻四象限分布模式，如圖3所示。首先，傳感模塊與太陽能電池板安裝在同一平面上，4個光敏電阻朝向東西南北四個方向，因光敏電阻具有較寬的感光角度，而太陽光是散射光，為了增強傳感器對太陽光角度的偏離判斷能力，光敏電阻相互之間用擋板隔開，來遮蓋住部分方向射來的太陽光線。

系統工作時，通過對光敏傳感器的輸出電壓的比較，對云臺姿態作如下調整：1、2號傳感器控制云臺的偏航轉動，3、4號傳感器控制云臺俯仰轉動，判斷兩個自由度的光強差，當兩路電壓差同時達到額定誤差值0.1V時，云臺停止。其優點在于跟蹤精度高，工作效率高，自適應能力強，可以全天候的跟蹤[4]。

表1 光伏測試數據

圖3 光敏電阻分布圖

3.2 主電路

圖4 系統電路原理圖

圖5 主程序流程圖

如圖4所示主電路由Buck電路、充電電路、Boost電路和LED負載構成。Buck電路將光伏電池板輸出電壓降至5V，除了用作單片機的工作電源，也是充電電路的輸入電壓。充電電路以MAX1898作為控制芯片，有效管理鋰電池（標稱3.7V）的充電過程，盡量延長鋰電池壽命。

Boost電路采用兩塊升壓芯片FP6291，分別提供5V和6.4V兩路電壓輸出。6.4V的電壓用于驅動LED負載；僅在陰雨天或者夜晚時，需要Boost電路提供5V輸出電壓。這是因為在此天氣條件下，太陽光強度大幅度下降導致Buck電路輸出電壓過低，無法讓單片機正常工作，而單片機作為系統控制核心，任何條件下應該盡可能保證其正常運行，需要根據天氣條件切換Buck和Boost電路的工作。本系統通過檢測光敏傳感器輸出電壓來判斷具體的天氣條件，如果光敏傳感器輸出電壓大于2.5V表示光照充足，Buck電路工作提供5V輸出而Boost電路不工作；電壓在1.2V～1.8V判斷為陰雨天，此時由Boost電路工作給系統提供5V工作電源；電壓低于0.8V則為夜晚，除了提供5V輸出的Boost電路正常工作以外，輸出6.4V的Boost電路也工作以驅動LED負載。此外，為了保證鋰電池電量不過放，系統通過采樣鋰電池電壓，當鋰電池電壓低于3.5V時，控制系統進入休眠狀態，切斷負載供電，只保留單片機的供電，以在條件適當時喚醒整個系統進入正常工作。

3.3 閉環雙軸跟蹤控制程序的設計

主程序進行時，首先要對所用到的模塊初始化，包括A/D模塊初始化，串口初始化，以及定時器0和PCA定時器初始化，利用這兩個定時器產生兩路PWM波驅動兩個旋轉電機。初始化完成后通過光電傳感器的輸出電壓進行晝夜判斷，當電壓高于2.5V時，判斷為白天，當電壓低于0.8V時，判斷為夜晚。判斷結果為白天時，太陽能光伏電池板自動轉到東邊初始位置，也就是太陽升起的地方，開始尋找點光源，省去多余檢測時間。當尋找到初始垂直光源時，姿態保持，系統進行充電過程，5分鐘后開始重新尋找光源（間隔時間可根據用戶對精度的具體需求自由調整），單片機對新一輪檢測數據進行處理，控制驅動電機旋轉，調整太陽能板到理想姿態。系統工作的同時單片機會把東西南北四個方向的檢測電壓，光伏電池輸出電壓，光伏電池輸出電流，充電電壓，充電電流通過FBT06無線藍牙串口模塊傳給上位機，用遠程上位機對這些參數進行監測，當參數不正常時，系統會鳴叫報警。系統每隔5分鐘檢測跟蹤一次，一直到傳感器檢測到黑夜時，系統停止跟蹤，進行黑夜等待，等待重新出現白天，主程序流程圖如圖5所示。

程序控制的核心是尋找并跟蹤垂直太陽光線，由此本系統設計了基于太陽能自動跟蹤的控制算法如下：

式中，TH(k)是本時刻輸出PWM波的高電平持續時間，TH(k-1)是上一時刻輸出PWM波的高電平持續時間，QU表示電壓值轉換后的數字量，D為輸出PWM波的占空比，EW為東西方向，SN為南北方向。此算法實現了電壓差對輸出信號的控制，配合A/D轉換，最終實現東西光強差，南北光強分別控制兩個驅動電機對偏航角度和俯仰角度的自動調節，從而達到了自動跟蹤的目的，自動跟蹤子程序流程圖如圖6所示。

4.數據處理

4.1 上位機數據采集

利用VB軟件編寫上位機軟件對系統的運行狀態及電參量進行遠程監控。上位機管理控制界面控分為三大部分。第一部分為串行口設置，為了提高軟件的適應能力，該軟件的串行口設置部分提供了COM口以及波特率的選擇，用戶可以根據自己的實際情況自行選擇。第二部分為位置檢測，該部分是監控系統對垂直光線的跟蹤情況，監測光電傳感器采集的電壓值，同時通過四條曲線將采集的電壓值描繪出來。第三部分為太陽能板光伏電壓，太陽能板光伏電流，充電電壓及充電電流的監測，并且繪制充電曲線。

4.2 數據分析

數據測試時間為2014年3月27日，上午8：00到下午16：00，地點位于常熟理工學院百工樓樓頂。數據測試裝置設為兩組，其中一組固定安裝，考慮到實地具體地理位置，太陽能光伏板正南固定安裝，傾斜角設定為45o；另外一采用自動跟蹤裝置。測試數據如表1所示。

功率變化曲線如圖7所示，從圖中可以看出，采用自動跟蹤裝置的太陽能光伏板輸出功率明顯比固定安裝的光伏板輸出功率要高，特別是在上午8:00和下午16:00，輸出功率能夠提升80%左右。

圖6 自動跟蹤子程序流程圖

圖7 功率變化曲線

5.結語

本系統針對現有的太陽能光電轉換效率低的情況進行了軟硬件方面的改進。系統采用了閉環控制的方案，提高了精確度，并且采用了雙軸自動跟蹤系統，克服了固定安裝和單軸跟蹤光能浪費的缺點，最大程度的利用了光能；系統主電路設計全面，充分考慮了系統在各種天氣情況下的運行方案與供電，充電情況，功能完善；通過上位機進行監控，提高了系統自動化程度；系統成本低廉，運行穩定，具有實際研究意義。

[1]馬帥旗,王柯,李計謀.基于MCU的太陽能最大功率跟蹤系統設計[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2013,29(5):19-20.

[2]周志敏,紀愛華.太陽能光伏發電系統設計與應用實例[M].北京:電子工業出版社,2010.

[3]丁婷婷,祝雪妹.太陽能光伏發電中跟蹤控制系統的研究與設計[J].機械制造與自動化,2012,41(6):200-205.

[4]趙爭鳴,陳劍,孫曉瑛.太陽能光伏發電最大功率點跟蹤技術[M].北京:電子工業出版社,2012.