太陽電池板智能追蹤在移動基站中的應用

張 文，史志瑋

（內江師范學院工程技術學院，四川內江 641112）

移動通信網絡為了實現無縫全覆蓋，在很多偏遠的地區都建有大量的基站，其中很多地方電網是無法到達的，故大部分都采用了發電機供電方式。但由于發電機的采購、安裝、維護和加油等工作相對繁瑣，而且需要工程師親臨現場操作，增加了物資和人力成本。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源，促使光伏發電產業發展非常迅速，目前已經有些地區為移動基站配備了固定接收太陽能的電池板發電裝置，但是存在著光電轉換效率太低的問題[1-2]。為了使太陽電池板的輸出功率始終工作在最大點處，提高系統的整體效率，提出采用了視日運動軌跡追蹤和光敏電阻陣列相結合的方法，設計了太陽電池板智能追蹤系統，使太陽電池板實時全方位地調整姿態追蹤太陽，同時也實現了遠程監控的作用。

1 監控系統總體設計與追蹤工作原理

1.1 監控系統總體設計

為了實現對野外移動基站太陽電池板的監測，采用C/S架構設計了遠程監控系統，系統主要由集中監控中心、太陽電池板控制器和傳輸網絡組成。分布在各地的太陽電池板控制器負責對太陽電池板的輸出電壓、電流和蓄電池的電量等進行監測，并通過Internet建立與監控中心的TCP/IP網絡連接，將監測到的數據發至監控中心。監控中心將接收到的數據進行處理、分析、顯示、存儲和統計報表。系統保證了對移動基站設備的持續供電，一旦發現太陽能設備工作不正常，會自動發出報警提醒工程師到現場進行處理，避免信號中斷事故的發生，實現了對多個移動基站供電系統的集中管理[3]。

1.2 追蹤工作原理

為了對機械裝置中水平和俯仰角由兩個步進電機進行精確驅動，提出了視日運動軌跡和光敏電阻陣列追蹤方法，把太陽電池板精確調整到光照最強處，提高了追蹤的精度。

1.2.1 視日運動軌跡追蹤

雖然太陽在太空中的位置時刻都在變化，但其運行軌跡卻是有規律性，為了使太陽電池板的輸出功率最大，必須時刻保證太陽光與太陽電池板垂直。假設方陣垂直面與正南的夾角為0°建立坐標系，太陽的位置可由高度角α與方位角φ來確定，公式如下：

式中：δ為一年中第n天的赤緯角；φ為當地的緯度角；ω為時角。太陽赤緯角與時角可以由本地時間確定，而對確定的地點：

由于本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當地相關地理位置與時間信息就可以確定太陽電池板傾斜跟蹤太陽的高度角和方位角，從而獲得最大的光伏發電效率[4]。

1.2.2 光敏電阻陣列追蹤

光敏電阻陣列是太陽電池板跟蹤系統的光信號接收器，共由8個光敏電阻圍成一圈組成，利用光敏電阻在光照時阻值發生變化的原理設計，光敏電阻陣列如圖1所示。

圖1 光敏電阻陣列

將光敏電阻陣列用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于光敏電阻陣列的外圓，以便光線通過，將整個光電檢測裝置安裝在太陽電池板上，與電池板平行。如果太陽光垂直照射太陽電池板時，關于x軸或者y軸兩個對稱的光敏電阻接收到的光照強度相同，所以表現的阻值完全相等，此時電動機不轉動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，此時調整驅動步進電動機轉動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響跟蹤精度，光敏電阻陣列光強比較法的優點在于控制精確，使太陽光永遠垂直照射在接收面上，進一步提高了太陽能的吸收率和轉化率[5]。

2 太陽電池板控制器設計

太陽電池板控制器主要由DSP處理器TMS320F2812、光敏電阻陣列、信號處理電路、GPS模塊、網路控制器、太陽電池板、步進電機運動控制模塊、充放電控制電路和蓄電池組等組成。太陽能控制器組成框圖如圖2所示。

圖2 太陽能控制器結構

太陽電池在陽光的照射下光伏發電，通過充放電控制電路向蓄電池組充電，再供負載使用。由于太陽光照射在太陽電池板上的角度時刻都在變化，為了使角度保持垂直，需要通過調整水平和垂直方向的步進電機完成。DSP處理器TMS320F2812利用GPS模塊串口獲取當地位置和時鐘信息，經過運算得到太陽的高度角α與方位角φ，再通過循環檢測太陽電池板的位置，將其與計算出的太陽的高度角與方位角進行比較來確定是否追蹤上太陽。如果滿足啟動條件，處理器發出指令驅動相應的步進電機工作，機械傳動機構帶動光伏電池陣列轉動，驅動脈沖由處理器內部自帶的PWM發生模塊產生，只需在軟件中設置相應的有關參數就可改變電機的轉動角度。光敏電阻陣列接受光照輸出電壓值，經過信號處理電路，給處理器的ADC口進行轉換，再通過水平和垂直步進電機對太陽電池板位置的微調，確保8個光敏電阻輸出相等的電壓，使太陽電池板與光線保持絕對的垂直。

2.1 光敏電阻陣列與信號處理電路

光敏電阻陣列與信號處理電路是為了實現對太陽電池板位置進行微調，使實際的太陽光與太陽電池板保持絕對的垂直，光敏電阻陣列與信號處理電路如圖3所示。

圖3 輸出電壓測試

光敏電阻陣列是用來檢測太陽光強的，在投入使用前需要在暗室進行校準，調整可變電阻R13-R83的值使檢測點T1-T8的輸出電壓值相等。隨著光照的增強，光敏電阻值減小，當太陽電池板與太陽光保持垂直時，光敏電阻R12-R18接收的光強是一樣的，阻值變化量也是相等的。當有微小的偏差發生時，處理器控制步進電機驅動機械裝置調整偏差，保證太陽電池方陣正對太陽光，達到自動跟蹤太陽的目的[6-7]。

2.2 太陽能控制器軟件設計

所有程序的編寫都是在DSP處理器集成開發環境CCS下完成的。軟件設計采用模塊化編程方法，系統選擇匯編語言與C++語言混合編寫，這樣不僅可以提高編程效率，也增強了程序編寫過程中的靈活性，而且為以后系統的維護和升級帶來方便。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

太陽電池板控制器上電后，首先進行系統初始化，包括DSP處理器的初始化、太陽電池板位置的歸位、網絡控制器的配置、GPS模塊的初始化等，然后根據預設的服務器IP地址和服務端口號，建立TCP/IP網絡連接，DSP處理器通過串口獲取GPS模塊輸出的當前位置的緯度和時間，根據GPS模塊輸出的信息運算得出太陽的高度角與方位角，并通過水平和垂直方位步進電機調整太陽電池板的機械裝置。再通過光敏電阻陣列的8個輸出電壓值進行比較，對太陽電池板的位置進行微調，達到接收最大光強的目的。最后將太陽能電源整個系統的采集數據打包發送至監測中心，根據設置延時n秒后，再次進入循環。

3 監控中心管理軟件與測試實驗

監控中心與各分布的移動基站太陽電池板控制器采用C/S架構設計，通過建立TCP/IP網絡連接進行通信，為達到并發的需求，主程序采用多線程機制，為新建立的連接創建一個單獨的收發數據線程，保障各太陽能控制器的數據傳輸獨立性、及時性和安全性。

3.1 監控中心管理軟件

監控中心管理軟件以VC++6.0為開發平臺，采用ACCESS2003為后端數據庫，通過以太網實現與各移動基站太陽能控制器的通信，軟件具備網絡管理、歷史查詢、數據庫管理、統計分析、報表輸出和報警提醒等功能[8-9]。監控中心管理軟件功能結構如圖5所示。

圖5 監控中心管理軟件功能

監控中心將從各移動基站接收來的數據進行處理、分析和顯示，太陽能供電系統的各項數據直觀顯示在監視器上，一旦某個分站出現故障，軟件會自動發出報警信息，提醒工程師盡快到現場進行處理，避免供電中斷事故的發生。

3.2 測試實驗

采用規格為100W/18V太陽電池板，并將轉化的全部電量存儲到初始電量都相等的兩個鉛蓄電池組中，單節蓄電池的容量為12 V/24 Ah，3節蓄電池并聯組成蓄電池組，并與負載斷開。其中，裝置A：固定接收太陽光，即太陽電池板的垂直面與正南的夾角始終為0°；裝置B：采用設計的太陽電池板智能追蹤系統，系統所需電都取自蓄電池組。兩個裝置放在同一位置。從早上9點開始，對白天6個小時的輸出電流和轉化電量進行了監測和記錄。測試對比結果如表1所示。

表1 測試對比結果

從表1得出，一天當中太陽電池板在中午光強最強的時候輸出電流達到最大值，且帶有智能追蹤裝置B的輸出電流始終大于固定接收裝置A的輸出電流，截止15時太陽電池板的轉化電量提高了10.84%。

4 結論

采用視日運動軌跡和光敏電阻陣列法構建了智能追蹤系統模型，通過GPS模塊獲取精確的地理位置和時鐘信息，再經過DSP處理器運算后驅動步進電機工作，使太陽電池板自動保持與太陽光的絕對垂直，有效地提高了太陽能的光伏發電效率，而且監控中心能夠對分布在各地的移動基站供電系統進行遠程集中觀測。經過一天內6個小時的觀測實驗，該太陽電池板智能追蹤系統比固定接收電能轉化率提高了10.84%，大大提高了移動基站供電系統的穩定性和持續性，符合構建環保型和節能型社會發展的要求。

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