基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡與MPPT一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

劉韋辰+何波

為提高光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的效率，本文設(shè)計(jì)了一套基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡與MPPT最大功率跟蹤一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)由基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)與MPPT最大功率跟蹤系統(tǒng)組成。基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)由萬(wàn)年歷芯片計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，計(jì)算出當(dāng)前位置的太陽(yáng)朝向和高度，通過(guò)單片機(jī)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，可以控制光伏電池板進(jìn)行雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最終確定電池板接收太陽(yáng)最佳方位。在實(shí)現(xiàn)的上述功能后，通過(guò)外接擴(kuò)展模塊實(shí)現(xiàn)了基于MPPT最大功率跟蹤系統(tǒng)，完成最大功率點(diǎn)跟蹤功能。實(shí)驗(yàn)表明，基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡與MPPT一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能在不同天氣狀況下對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，不僅能夠自動(dòng)控制太陽(yáng)能板，保證太陽(yáng)能板與太陽(yáng)光相垂直的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤功能，盡可能多的供給蓄電池。

【關(guān)鍵詞】光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) MPPT 設(shè)計(jì)

目前，對(duì)太陽(yáng)能的開發(fā)利用備受人們的關(guān)注，如何提高太陽(yáng)能利用率成為人們研究的焦點(diǎn)。高效的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是提高光伏系統(tǒng)效率的關(guān)鍵的第一步。跟蹤太陽(yáng)的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據(jù)入射光線的強(qiáng)弱變化產(chǎn)生反饋信號(hào)到計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)運(yùn)行程序調(diào)整太陽(yáng)能板的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便；缺點(diǎn)是受天氣的影響很大，如果在稍長(zhǎng)時(shí)間段里出現(xiàn)烏云遮住太陽(yáng)的情況，會(huì)導(dǎo)致跟蹤裝置無(wú)法跟蹤太陽(yáng)，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動(dòng)作。而視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，所以本設(shè)計(jì)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進(jìn)電機(jī)雙軸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、俯仰兩個(gè)自由度的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全天候跟蹤。在實(shí)現(xiàn)以上系統(tǒng)的情況下，不考慮使用MPPT最大功率跟蹤系統(tǒng)直接用太陽(yáng)能板給蓄電池供電，也在現(xiàn)實(shí)的情況中是完全可以的，前提是需要匹配好功率，讓蓄電池不至于過(guò)充電。另外，當(dāng)蓄電池充滿時(shí)，需要手動(dòng)斷開充電回路，以免損壞蓄電池。這樣的太陽(yáng)能蓄電池充電系統(tǒng)，顯得操作繁瑣而且低效，繁瑣在于需要人去觀察電壓電流以及不時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)能板方向，低效則是因?yàn)樘?yáng)能板發(fā)出的電，并沒有盡可能多的供給蓄電池。因此，本文在實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的全天候跟蹤的前提下，設(shè)計(jì)了MPPT最大功率跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目的是控制最高電壓，讓蓄電池不至于充壞，又要控制電流，以便讓太陽(yáng)能板處于最大功率點(diǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡法的光伏跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用了視日運(yùn)動(dòng)軌跡法，由萬(wàn)年歷芯片計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間，并結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度，計(jì)算出當(dāng)前位置的太陽(yáng)朝向和高度，結(jié)合直流電機(jī)與角度檢測(cè)電位器，通過(guò)STC89C52單片機(jī)系統(tǒng)的計(jì)算、對(duì)比與輸出控制，驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，可以控制光伏電池板進(jìn)行雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)，最終確定電池板接收太陽(yáng)最佳方位。實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)光的追蹤。具體的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

1.1.1 時(shí)間信號(hào)的獲取

本設(shè)計(jì)中，時(shí)間信號(hào)選擇的是DS1302萬(wàn)年歷芯片，在選擇高精度晶振的情況下。其每天誤差在3秒以內(nèi)。對(duì)于普通控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以滿足使用要求。另外，系統(tǒng)還具備時(shí)間調(diào)節(jié)功能，這樣可以每隔一定周期手動(dòng)校正時(shí)間。

1.1.2 高度與方位角的計(jì)算

要獲取太陽(yáng)方位，首先要知道當(dāng)前時(shí)間，但是僅知道當(dāng)前時(shí)間是不夠的，因?yàn)榈厍虮旧硎抢@太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，而其自身同時(shí)又在繞極軸自轉(zhuǎn)。因此，地球上的不同地方，在同一時(shí)間內(nèi)，太陽(yáng)角度也是不一樣的。為了解決這個(gè)問題，本設(shè)計(jì)可以通過(guò)修改經(jīng)緯度。在獲知當(dāng)?shù)貢r(shí)間和經(jīng)緯度，由三角函數(shù)關(guān)系，可以求得當(dāng)前太陽(yáng)的方位角和高度角。

1.1.3 實(shí)際角度的測(cè)量

當(dāng)我們計(jì)算出太陽(yáng)當(dāng)前方位角與高度角時(shí)，接下來(lái)要做的，就是把太陽(yáng)能板的角度朝向這個(gè)方向。那么首先我們要知道目前太陽(yáng)能板在什么位置，才能決定控制輸出。通過(guò)設(shè)計(jì)在電路板上的兩個(gè)三芯插件，連接著電路板上的A/D轉(zhuǎn)換器TLC1543以及雙軸機(jī)械結(jié)構(gòu)上面的電位器。通過(guò)設(shè)計(jì)，電位器的轉(zhuǎn)軸與電機(jī)軸是相連的，這樣電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電位器也會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)，從而產(chǎn)生不同的電壓值，這個(gè)電壓值送入TLC1543進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，從而獲得當(dāng)前太陽(yáng)能板的方位角與高度角信號(hào)。將測(cè)量得到的實(shí)際值與計(jì)算得到的理論值進(jìn)行對(duì)比，如果值偏大，則控制電機(jī)往小的一方轉(zhuǎn)動(dòng)，如果偏小，則往大的一方轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)有慣性和沖擊，所以有留有一定余量，否則系統(tǒng)會(huì)一直來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)個(gè)不停。

1.1.4 輸出電機(jī)的控制

因?yàn)閷?shí)際角度可能比理論值大，也可能比理論值小。因此，電機(jī)既需要可以正轉(zhuǎn)，又需要可以反轉(zhuǎn)，而且每天只需要轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。因此，我們選擇控制性能好，而且電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的有刷直流電機(jī)。直流電機(jī)的控制非常簡(jiǎn)單，只需要切換輸入電流方向，即可改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。在日常使用中，可以通過(guò)改變接線，或者是使用雙擲開關(guān)來(lái)切換。但是本設(shè)計(jì)中需要進(jìn)行自動(dòng)控制。選擇這些顯然是不合適的。為了滿足這類需要，本設(shè)計(jì)應(yīng)用了橋式電路。橋式電路雖然只有正負(fù)一種電壓，但是對(duì)于接在橋臂上的負(fù)載來(lái)說(shuō)，其電流方向是可以變化的。這種電路叫做全橋電路，或者叫H橋電路。H橋電路可以使用6個(gè)三極管搭配完成，為了讓電路更加穩(wěn)定可靠，本設(shè)計(jì)中選擇了專用直流電機(jī)控制芯片L9110，L9110是一種集成式的H橋電路。當(dāng)改變輸入端電平時(shí)，其輸出端電壓也會(huì)發(fā)生改變。從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到控制角度的目的。

1.2 基于MPPT最大功率光伏跟蹤系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

基于MPPT最大功率光伏跟蹤系統(tǒng)由輸出控制電路、電流和電壓檢測(cè)電路和微處理器、AD轉(zhuǎn)換等部分組成。該系統(tǒng)的目的是控制太陽(yáng)能電池板的最高電壓，讓蓄電池不至于充壞，又要控制太陽(yáng)能電池板的電流，以便讓太陽(yáng)能板處于最大功率點(diǎn)。具體的方案設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

1.2.1 電壓的檢測(cè)

電壓檢測(cè)電路由分壓電阻與AD轉(zhuǎn)換電路組成，因?yàn)樘?yáng)能板和蓄電池的輸出電壓均超過(guò)了AD轉(zhuǎn)換器的輸入電壓（0-5伏），因此需要使用電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓，經(jīng)過(guò) AD轉(zhuǎn)換器后，并由單片機(jī)經(jīng)過(guò)數(shù)字轉(zhuǎn)換，顯示出輸入電壓。

1.2.2 電流的檢測(cè)

電流檢測(cè)電路由取樣電阻、放大電路及AD轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。電流檢測(cè)首先要通過(guò)取樣電阻把電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，為了除低損耗，取樣電阻阻值都很小，因此形成的電壓信號(hào)也很小，所以需要添加放大電路將信號(hào)放大到AD轉(zhuǎn)換電路可以檢測(cè)的幅度，本設(shè)計(jì)中使用的是MAX4173電流專用取樣芯片，本身自帶20倍放大，精密可靠，且大大簡(jiǎn)化了電路結(jié)構(gòu)。送入AD轉(zhuǎn)換器，獲得光伏板電流信號(hào)。電壓與電流相乘即可以獲得當(dāng)前功率。

1.2.3 輸出電流的控制

為了將太陽(yáng)能板輸出電壓鎖定在18.5伏附近，我們要對(duì)其輸出電流進(jìn)行控制。在不考慮內(nèi)阻變化的情況下，輸出電流小了則輸出電壓會(huì)升高，反之則會(huì)降低。如果使用線性元件如LM317等，雖然也能實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電壓電流的功能，但是能量都損耗在調(diào)節(jié)部分，并不能增加輸出功率。因此我們選擇開關(guān)元件來(lái)?yè)?dān)當(dāng)調(diào)節(jié)電路的核心。近年來(lái)出現(xiàn)的開關(guān)元件有好多種，其中以凌力爾特和TI為優(yōu)，但是這兩者價(jià)格昂貴，且單片采購(gòu)不便，本設(shè)計(jì)選擇市場(chǎng)上極易購(gòu)得的LM2596作為控制電路的核心元件，LM2596本身就是一個(gè)PWM型電源芯片，配合運(yùn)放LM358和二極管組成的或門電路，可以很好的控制輸出電流。因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)中既需要A/D轉(zhuǎn)換器來(lái)檢測(cè)電壓電流，又需要一個(gè)D/A輸出器來(lái)控制輸出電流，為方便設(shè)計(jì)選擇了PCF8591，其具備4路A/D轉(zhuǎn)換輸入，且?guī)б宦稤/A輸出，滿足實(shí)際的需求。

2 應(yīng)用效果與結(jié)論

經(jīng)過(guò)硬件電路設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，以及軟硬件調(diào)試，制作出基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡與MPPT一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)備。設(shè)備詳見圖3。

基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡與MPPT一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)應(yīng)用：

首先分析下光線夾角與發(fā)電電流的關(guān)系，如表1所示。

為保證實(shí)際一致性，測(cè)試時(shí)間盡可能短，以保證太陽(yáng)光功率基本不變，且本次實(shí)驗(yàn)中接入了基于視日運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，但不考慮剔除該系統(tǒng)耗電的影響。在光伏板與陽(yáng)光夾角偏差10度以內(nèi)，發(fā)電電流與呈直角時(shí)相差不大。當(dāng)夾角偏差大于30度時(shí)，電流急劇降低。當(dāng)夾角偏差大于50度時(shí)，光伏板發(fā)電電流僅為90°角度時(shí)候的十分之一左右。

MPPT一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使用LM7805降穩(wěn)壓，這部分電流在分析中應(yīng)以扣除，因?yàn)閷?shí)際應(yīng)用中，功率可達(dá)幾百上千瓦，而些部分耗電并不會(huì)隨系統(tǒng)規(guī)模線性增長(zhǎng)，可以忽略。實(shí)際的測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。在保持光線夾角為90度的時(shí)候，接入了MPPT最大功率跟蹤系統(tǒng)。

本系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的全天候跟蹤的前提下， MPPT最大功率跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了控制最高電壓為18.6V，同時(shí)讓電流在0.48A，保證功率為8.92W，比起光伏板與蓄電池直接相連，又容易讓蓄電池充壞，同時(shí)還不能控制電流。該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板處于最大功率點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡與MPPT一體化的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)能在不同天氣狀況下對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行準(zhǔn)確跟蹤，不僅能夠自動(dòng)控制太陽(yáng)能板，保證太陽(yáng)能板與太陽(yáng)光相垂直的情況下，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了MPPT最大功率點(diǎn)跟蹤功能，盡可能多的供電給蓄電池。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

劉韋辰（1986-），女，陜西省榆林市人。現(xiàn)就讀西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，控制理論與控制工程專業(yè)研究生。研究方向?yàn)楣夥櫹到y(tǒng)設(shè)計(jì)與控制算法研究。

作者單位

西安建筑科技大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 陜西省西安市 710055