基于單片機的光伏MPPT及太陽追蹤系統的設計

黃日威 譚偉付 廖烈健 歐志懂 莫富超

(廣西大學行健文理學院,廣西南寧 530000)

能源的開發利用是世界發展和經濟增長最基本的驅動力。能源的開發和有效利用推動著世界經濟快速增長,支持著現代社會和現代文明,其中太陽能依托其綠色環保、用之不竭的特點受到人們的關注。我國幅員遼闊,有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽年輻射總量約為3340～8400MJ/m2,平均值為5842MJ/m2。開發太陽能可再生資源,對建設和諧社會有著重大意義。在太陽能光熱利用中,為了能得到足夠高的熱能,太陽能集熱器必須從日出到日落跟蹤太陽。在太陽能光伏發電系統中,相同條件下,自動跟蹤發電設備比固定發電設備發電量提高了三成,成本降低了25%。因此對太陽能的跟蹤在太陽能光伏發電系統中發揮著重要的作用,對太陽能的跟蹤是十分重要的。

圖1 原理圖

1 工作原理

太陽能光伏發電跟蹤系統是通過嵌入式微處理器的分析和計算來自太陽能光伏板上兩組傳感器所產生的電流值與固定值的對比差值,嵌入式微處理器的輸出信號對步進電機進行控制,使太陽能光伏板能夠出接收更多的熱輻射,實現對太陽能的充分吸收和利用。通過處理器輸出信號對步進電動機進行控制,讓太陽能光伏板始終處于太陽能輻射的最大面積。首先,利用光敏電阻的特性實現光信號與電信號的轉換,通過A/D 轉換器,把運算放大器放大太陽光垂直或者偏離照射到光電傳感器時所產生的偏差信號轉化為數字信號送入 ARM芯片,判斷太陽高度角的變化,實現步進電動機的正、反脈沖控制其轉向。要實現步進電機的精確轉向,需要將偏差信號進行D/A轉換后與0比較。當比值等于0時,則ARM芯片不發出任何控制信號,步進電機保持不動,太陽能光伏板保持角度方向不變;當比值大于或者小于0時,則ARM芯片需要進一步的處理數據判斷是否是高度角和方向角出現偏差,最終是輸出高度角度驅動控制信號還是方向角驅動控制信號,驅動芯片工作,精確調整步進電機轉動,修復角度方向偏差,從而重新使太陽光線與光伏板垂直,實現實時跟蹤太陽的任務。

2 硬件系統部分的設計

如圖1所示。

2.1 芯片選取

選用STC89C52RC單片機作為整個系統的控制處理中心。

2.2 電源模塊

使用電源適配器并選用7805和1117M3等電源轉換芯片,將市電轉化成9V直流輸出,再將9V直流輸出轉換成5V和3.3V的電壓,為整個系統提供一個穩定的工作電壓。

2.3 光能采集模塊

將四個3DU33光敏三極管分別固定在感光板的四個頂角呈十字架狀,并得到四個光電流。配合發光二極管,用于指示感光電路工作狀態。利用比較器和光敏電阻對光源進行追蹤。

2.4 繼電器控制模塊

通過電磁繼電器運用小電流控制大電流的開關特性,對云臺進行控制,實現指向性轉動。即通過單片機引腳輸出不同的電平信號,通過三極管的導通特性控制電路的導通和截止,實現對電磁繼電器的控制端電壓的調節,從而使電磁繼電器在常開和常閉循環之間接環,輸出云臺的指向性轉動信號,實現控制云臺的沿各個方向的轉動的目的。

2.5 驅動模塊

步進電機是將電脈沖信號轉換為相應的直線位或角位移、并適合微控制器控制的一種特殊電動機。步進電機根據給定的脈沖信號實現精準的定位控制,并且在不改變它的通電狀態下也有制動轉矩,轉子將固定在某一平衡位置上保持不動,這一特點在特性全天候太陽能跟蹤系統轉動控制中是十分有利的。步進電機可以根據太陽位置的移動所產生的脈沖信號進行控制轉動,隔一段時間轉一個角度后馬上停下來。綜合上面步進電機的性能進行分析,我們決定采用步進電機。

3 系統的軟件設計

本系統設計整體軟件程序流程圖如圖2所示。

自動模式流程圖:如圖3所示。自動模式下,單片機檢測采光板上下左右四個方向的光敏電阻所產生的光強度值,輸出信號控制步進電機,使采光板正面移動到與光強度值最大的一方垂直。

4 結語

經過實驗表明,基于STC89C52RC單片機太陽能跟蹤系統的軟件設計和硬件設計,可通過對高度角和方位角的計算,實現了對陽光的大范圍跟蹤,并且跟蹤精度達到較高的標準。并且解決了在各種天氣下,根據光敏電阻的特性,實現線上自動的調節。隨著太陽能利用的普及,太陽能的產品已經進入到人們的日常生活中。經過本次的設計,我們的設計與市場上的其他產品比較下,從材料上,結構上、安裝運行以及管理上,不管是硬件還是軟件的設計,都進行了改進,更為節省成本,運行上更為簡單可靠,在保證系統的穩定的同時,實現了高精度的太陽能追蹤特性。

圖2 整體軟件流程圖

圖3 自動模式流程圖

[1]盧宗春,舒志兵,高延榮.南京工業大學運動控制研究所[J],機床與液壓.2009,37(9)190-192.

[2]楊代華.單片機原理及應用[M].武漢:中國地質大學出版社,2000．

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