基于MC9S12XS128的智能型太陽能跟蹤控制系統(tǒng)

張飛飛+高愛宇+韓澤欣+周志文

摘 要 太陽能光伏發(fā)電是有效利用太陽能的手段之一，目前太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率都不高，如何提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率是當(dāng)前太陽能研究的熱點(diǎn)，然而受材料、生產(chǎn)工藝以及成本等制約因素的影響，要提高太陽能電池的轉(zhuǎn)換效率是一件很困難的事情，因此要提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光能利用率，可以使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板與太陽光保持垂直，通過提高單位面積上照射在太陽能電池板上的太陽能來實(shí)現(xiàn)。文章介紹了一種智能型太陽能跟蹤控制系統(tǒng)，能夠有效地跟蹤太陽光，使太陽光總是與太陽能電池板保持垂直，實(shí)時跟蹤太陽能，使光伏發(fā)電系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)，能夠有效提高系統(tǒng)發(fā)電效率30%以上，該系統(tǒng)在提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的光能利用率方面具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值和重要意義。

關(guān)鍵詞 太陽能；光伏發(fā)電；雙軸控制；MC9S12XS128

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）07-0027-02

太陽能是一種取之不盡用之不竭的可再生能源，其作為一種理想、清潔的新能源，合理利用及開發(fā)是解決當(dāng)前能源危機(jī)和環(huán)境問題最具獨(dú)特優(yōu)勢的途徑之一，已成為當(dāng)前研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)。太陽能發(fā)電有兩種方式：一種是光—熱—電轉(zhuǎn)換方式，另一種是光—電直接轉(zhuǎn)換方式，其中太陽能光伏發(fā)電目前應(yīng)用最廣，也最具應(yīng)用前景。目前的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用固定式構(gòu)架，又由于光伏電池是一種比較典型的非線性電源，其輸出特性受光照強(qiáng)度、溫度以及負(fù)載特性的影響比較嚴(yán)重，因此不能保證其始終工作在最大功率狀態(tài)，從而導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)功率損失嚴(yán)重和光伏發(fā)電效率偏低。假如能夠使太陽能電池板與太陽光保持垂直，便能提高單位面積上接收的太陽能，使系統(tǒng)工作在最大功率點(diǎn)上，從而提高太陽能的利用率。相比之下，帶有自動跟蹤功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量比固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)提高30%以上，因此對于如何使太陽能電池板準(zhǔn)確跟蹤太陽能，提高光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率，提高發(fā)電量成為研究的焦點(diǎn)。

1 太陽能跟蹤控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成

本系統(tǒng)是由機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器、太陽能電池板、輸入輸出模塊、負(fù)載組成的一個獨(dú)立的光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

本太陽能跟蹤控制系統(tǒng)采用雙軸控制方式，其機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分由系統(tǒng)機(jī)械平臺、支架、以及兩個12V-12RPM直流減速電機(jī)組成。系統(tǒng)在控制策略及結(jié)構(gòu)上采用了雙軸控制的方式，能夠通過裝設(shè)在平臺和支架上的兩個減速電機(jī)來控制太陽能電池板在水平方位和豎直方位的運(yùn)動，確保太陽能電池板能夠隨著太陽光保持垂直狀態(tài)自由運(yùn)動。

1.2 控制器組成

本系統(tǒng)的控制部分分為兩個部分，第一部分為模擬信號控制部分，其控制方式是通過光敏電阻組成的光敏傳感器采集太陽光信號，再通過LM393比較器輸出一個便宜信號，加載在電機(jī)驅(qū)動模塊上，對系統(tǒng)進(jìn)行一個粗步調(diào)節(jié)；第二部分為程序控制部分，通過傳感器采集太陽能電池的輸出信號，傳輸給MC9S12XS128單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部自帶的A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量后，再通過一定的算法處理，輸出PWM信號加載在電機(jī)驅(qū)動模塊上，從而對系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行精細(xì)調(diào)節(jié)，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

2 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 模擬控制電路部分

圖3 模擬控制電路

模擬信號控制部分采用了光敏電阻，通過對四組光敏電阻組成的比較電路來確定四個方向的關(guān)照信息，通過LM393比較器輸出的信號加載在電機(jī)驅(qū)動模塊上，即可控制兩個減速電機(jī)在豎直方位和水平方位的運(yùn)動，確保太陽能電池板上的四組光敏傳感器在四個方向上受光均勻，從而確保太陽光與電池板保持垂直，如圖3為模擬控制電路。

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路

本系統(tǒng)在直流驅(qū)動電路上采用了兩片BTS7960芯片組成的全橋驅(qū)動電路，每片BTS7960芯片的內(nèi)部為一個半橋，當(dāng)引腳INH為高電平時，BTS7960芯片使能。引腳IN用于確定由哪個MOSFET導(dǎo)通。當(dāng)IN引腳為高電平且INH引腳也同時為高電平時，高邊MOSFET導(dǎo)通，則OUT引腳輸出高電平；反之，當(dāng)IN引腳為低電平且INH引腳為高電平時，低邊MOSFET導(dǎo)通，則OUT引腳輸出低電平；如此，通過控制兩片BTS7960芯片IN引腳的電平，就能控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。其中SR引腳外接電阻的大小，可以對MOS管關(guān)斷和導(dǎo)通的時間進(jìn)行調(diào)節(jié)，能起到防電磁干擾的功能；IS引腳是電流檢測輸出引腳。電機(jī)采用的是12V電源供電，因此電機(jī)驅(qū)動模塊的電源進(jìn)線為12 V。該電機(jī)驅(qū)動電路應(yīng)用簡單，且驅(qū)動功率較大，只需要將單片機(jī)輸出的PWM信號向芯片第2引腳IN輸入就能對直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向進(jìn)行控制。

2.3 充電器控制電路

本系統(tǒng)所采用的太陽能電池板額定功率30 W，輸出電壓18 V，蓄電池采用太陽能系統(tǒng)專用的電壓為12 V、容量7 Ah的鉛酸電瓶，充電器再設(shè)計(jì)時，選擇了UC3906這款VRLA蓄電池專用的充電芯片，它具備將VRLA蓄電池實(shí)現(xiàn)最佳充電效果的全部控制和檢測功能，更為可貴的是該芯片能夠使充電器的各種轉(zhuǎn)換電壓隨著VRLA蓄電池的電壓溫度系數(shù)變化而變化，因此能滿足蓄電池在比較寬的溫度范圍內(nèi)還能達(dá)到最佳工作狀態(tài)，圖4為蓄電池充電器電路圖。

圖4 為蓄電池充電器電路圖

2.4 電流、電壓采樣電路

電流采樣電路部分是利用ACS712ELC-05B電流傳感器芯片，該芯片是基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器，電路可以測量正負(fù)5 V以內(nèi)的電流，對應(yīng)的模擬量輸出為185 Mv/A，在沒有檢測電流通過時，輸出電壓為VCC/2；電壓采樣模塊在設(shè)計(jì)時利用了電阻分壓原理，使得端子接口輸入的電壓縮小5倍，電壓的輸入范圍為0～25 V，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。電壓、電流采樣電路的模擬輸出端連接到MC9S12XS128單片機(jī)的A/D口，通過讀取A/D值即可測出相應(yīng)的電壓值和電流值。endprint

3 控制系統(tǒng)軟件算法設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)在軟件算法設(shè)計(jì)中采用了電導(dǎo)增量法，它是通過比較光伏電池的瞬時電導(dǎo)與電導(dǎo)的變化量來達(dá)到跟蹤最大功率點(diǎn)的目的。由于太陽能光伏電池的輸出特性曲線是一個單峰值的曲線，因此在最大功率點(diǎn)就有dP/dU=0，其中P為光伏電池的輸出功率，U為光伏電池的輸出電壓。因此

==

進(jìn)一步又可得到如下結(jié)論：

1）在最大功率點(diǎn)左側(cè)，。

2）在最大功率點(diǎn)處，。

3）在最大功率點(diǎn)右側(cè)，。

因此，通過對光伏電池輸出電導(dǎo)的變化量與輸出電導(dǎo)之和的符號，即的符號，即可確定并調(diào)整系統(tǒng)工作點(diǎn)的位置，

從而實(shí)現(xiàn)光伏系統(tǒng)對最大功率點(diǎn)的跟蹤。由于dU作為電導(dǎo)變化量的分母，因此在處理時，必須首先確定dU是否為零：當(dāng)dU為零時，表示電壓不變，此時則又應(yīng)該根據(jù)dI的符號來調(diào)整光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作狀態(tài)；當(dāng)dU不為零時，則可根據(jù)上述三條結(jié)論來調(diào)整光伏系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)在測試過程中，環(huán)境溫度在20℃左右時，在相同條件下，與固定結(jié)構(gòu)式的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)相比較，本系統(tǒng)在太陽能利用率方面明顯提高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，帶有自動跟蹤控制功能的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量比普通固定式光伏系統(tǒng)提高30%左右。

5 結(jié)論

本文對智能型太陽能跟蹤控制系統(tǒng)的制作方案、電路設(shè)計(jì)及軟件原理做出了比較全面的介紹，系統(tǒng)結(jié)合了硬件模擬電路控制和單片機(jī)程序控制兩種方式，又采用了效率較高的雙軸控制的機(jī)械結(jié)構(gòu)，先經(jīng)過模擬電路初步調(diào)節(jié)，再通過單片機(jī)程序軟件逐步精細(xì)優(yōu)化，在測試過程中，表現(xiàn)出了穩(wěn)定、靈活、高效的特點(diǎn)，能夠有效提高太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，具有廣闊的應(yīng)用前景、研究和市場價(jià)值。

基金項(xiàng)目

西北民族大學(xué)國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助（項(xiàng)目編號：201310742027）。

參考文獻(xiàn)

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