基于單片機的太陽能智能追光系統設計

劉明陽

摘 要：光伏能源是一種發電新能源，具有高清潔度、高再生的特點，在能源緊張的當代其應用價值極高。目前，光伏能源發電主要利用光伏設備來實現，但在初期應用過程中，人們發現，太陽光的移動會決定光伏設備的發電效率，即太陽光直射光伏設備時，發電效率將達到最高。因此，為了保障光伏發電效率，本文提出了一種基于單片機的太陽能智能追光系統設計。

關鍵詞：單片機;太陽能;智能追光系統

中圖分類號：TM615文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0132-03

基于單片機的太陽智能追光系統設計，需要根據光伏發電裝置的不同做出調整，因此，本文首先參考前人研究介紹了兩類常見的光伏發電系統，即普及性光伏發電系統、槽式光伏發電系統，以保障本文研究分析的全面性、針對性，然后針對兩種光伏發電系統提出針對性的單片機下太陽能智能追光系統的設計方案，同時對兩種設計方案的功能進行簡要概述。

1 光伏發電系統概述

1.1 普及性光伏發電系統

普及性光伏發電系統是一種應用較為廣泛的傳統光伏發電系統，其主要由太陽能電池陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜組成。其中，太陽能電池只要在有光照射的前提下，就會產生光能吸收效應，吸收之后電池兩端出現異號電荷的積累，此時即實現了光轉電的目的。而單個太陽能電池的光能吸收及轉化的效率是有限的，未必能滿足供電需求，因此需要通過太陽能電池陣列來提高效率。蓄電池是電池中的一種，能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。因為單個蓄電池的電能容量是有限的，所以需要通過增加其數量來提高容量。充放電控制器是一種控制蓄電池組電能充、放及程度的重要設備，該設備首先能從蓄電池組中調用電能并傳輸到供電渠道中，其次能將太陽能電池產生的電能灌輸到蓄電池中，最終可以控制充、放電的程度，而這有利于延長蓄電池的使用壽命。逆變器是一種將直流電能轉變為交流電能的裝置。因為蓄電池中儲存的電能為直流電，不可直接應用，所以在供電渠道的前端，需要設置逆變器，當直流電能通過逆變器之后，就會被轉換為交流電。交流配電柜主要輔助逆變器來進行電流轉換，同時還能對線路的電能量進行統計[1]。

1.2 槽式光伏發電系統

槽式光伏發電系統主要是利用太陽能中的熱能來實現發電。槽式光伏發電系統中最核心的組件為槽式聚光鏡，當太陽光照射到聚光鏡上時會凝聚成一條線，在此之后利用線上的管狀集熱器來吸收線上的太陽能，吸收到的太陽能將會被傳輸到熱工質中進行加熱，此時利用蒸汽動力來實現循環發電。槽式光伏發電系統雖然相對少見，但該系統具有巨大的潛在的發電能力，要遠超普及性光伏發電系統。例如，在某實例槽式光伏發電系統建設中，通過測試了解到，其能滿足800MW太陽能光熱電站對建設的需求[2，3]。

2 普及性光伏發電系統單片機太陽能智能追光系統設計

2.1 設計方案

為了實現設備自動追光的功能，本設計將利用太陽光熱能作為功能基礎條件。設計方案主要可以分為3個部分，即硬件設計、軟件設計、充放電設備設計。圖1為本文設計的模型圖。

2.2 硬件設計

主要采用STC12C5A60S2單片機進行設計。在設計過程中，選擇四象限法來設計光敏電阻采集光信號分布。此時，光能產生的電能會傳輸到單片機中，單片機帶有10位A/D轉換和抗干擾濾波電路，而利用這兩項電路能實現不同電能電壓的比較。然后，采用PWM波驅動舵機來實現太陽能電池陣列的轉動，PWM波驅動舵機的供電電路，本文采用LM7805三端穩壓集成芯片，此電路除了具備供電功能以外，還具備穩壓調壓功能。在轉動中，本文利用光敏電阻的光照強度對比原理，設計了轉動規則，即當光敏電阻的光照強度與設置強度基本一致時即可。為了滿足轉動條件，采用DS18SB20溫度傳感器來實現溫度監測。此外，通過DS18SB20溫度傳感器還能避免太陽能電池陣列溫度過高而導致輸出功率下降的問題，即當檢測到溫度大于45℃時，將驅動直流電機，帶動降溫設備進行降溫。

2.3 軟件設計

主要利用Kei5來進行編程設計。在編程過程中，主要選用電壓比較算法、智能算法。在兩種算法的結合下，能智能地對太陽的高度、太陽角度進行計算，以此可以避免太陽能利用效率變化不明顯的現象。此外，編程與算法的效率高，能夠使太陽能電池陣列的反應速度大幅度提高，在短時間內即可自動轉到光照強度的最高區域。

2.4 充放電設備設計

主要采用PWR2.5標準充電口。此充電口的介入，實現了追光系統的雙電源供給，避免在某些特殊情況下，因為電池沒電使追光系統無法進行運作的“窘境”。

3 槽式光伏發電系統單片機太陽能智能追光系統設計

鑒于槽式光伏發電系統的特點，本文采用AVR單片機來進行追光控制系統設計。設計方案主要包括機械系統設計、硬件系統設計和軟件系統設計三個部分。其中，機械系統設計要能滿足追光系統自動化運動的條件;硬件系統主要受軟件系統的控制，驅動機械設備實現運動，同時對光能數據進行管控，并將數據傳輸到軟件系統中;軟件系統主要控制硬件系統，同時根據硬件系統的數據來決策控制指令。圖2為槽式光伏發電系統追光系統實例圖。

3.1 機械系統設計

機械系統主要包括聚光拋物面、活動支架、固定支架、推桿電機4項機械系統，具體設計結構如圖3所示。

從圖3可知，活動支架是整體設計的主要軀干，其主要與聚光拋物面、推桿電機相互連接。在與聚光拋物面連接過程中，活動支架能圍繞聚光拋物面進行焦點旋轉。由此說明，無論太陽光照的角度如何變化，360°焦點旋轉都能滿足系統運動的需求。在與推桿電機連接時，推桿電機是驅動活動支架的動力裝置，受硬件系統的控制。此外，在固定支架方面，其同樣受到硬件系統的控制，控制規則為：當活動支架在運動時，固定支架不發揮功能，當活動支架運動停止時，固定活動支架。

3.2 硬件系統設計

硬件系統設計主要包括太陽位置檢測設備設計、單片機電路設計、電機控制設計3個部分，下文將對此進行逐一分析。圖4為硬件系統設計結構圖。

3.2.1 太陽位置檢測設備設計。太陽位置檢測設備主要由4個光敏電阻、1個擋光板組成。設計過程中，首先將4個光敏電阻分別布設在擋光板的四角周邊，其中1號光敏電阻與4號光敏電阻將遠離擋光板，并呈45°角分別向西、東兩個方面擺放，而2號、3號光敏電阻將緊貼擋光板，并呈90°安裝。4塊光敏電阻的安裝，可以囊括太陽光照移動的所有路徑，實現各角度光能接受。

3.2.2 單片機電路設計。鑒于本文所采用AVR單片機硬性需求，主要選擇了兩個I/O引腳輸出高低電平控制繼電器，在兩個繼電器的電路傳輸下，實現單片機的運作。

3.2.3 電機控制設計。選用24V直流電機作為推桿電機，以此來控制設備根據陽光轉動，電機的兩極分別與繼電器的輸出引腳相連。

3.3 軟件系統設計

采用相關電機控制軟件來實現系統控制。為了保障控制的精確性，本文將對軟件的控制規則進行設計。設計過程中主要考慮天氣因素，將各類天氣因素下太陽光照狀態分為4個等級，即無光、上方、左方、右方。在各等級之下，依靠太陽位置檢測設備的數據傳輸，可以使軟件了解當前太陽光的狀況，之后軟件將根據狀況條件，自動切換控制狀態，以此使設備進行轉動，實現追光目的。

4 結語

太陽能是一種應用價值極高的新型能源，因此其具有較高的應用價值。但是，太陽光光伏發電的效率會因為太陽光的強度出現漲落，因此，為了保持發電效率處于高峰狀態，需要構建太陽能智能追光系統。本文主要針對當前常見的兩種光伏發電模式，圍繞單片機進行太陽能智能追光系統設計。兩項設計方案的相同點在于都采用了硬件設計、軟件設計，不同點在于充放電設備設計、機械系統設計，這表明前者設計是以光伏系統本身為基礎的，后者則通過機械設備來實現運作。

參考文獻：

[1]李仁浩，龔思敏，楊帆，等.基于單片機控制太陽能智能跟蹤控制系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2015（4）：51-53.

[2]張煥梅，郭蕓俊.基于單片機的太陽能自動跟蹤控制系統設計[J].機械工程與自動化，2017（2）：178-179.

[3]陳天元，沈超，夏咸武.基于單片機的雙軸太陽能自動跟蹤系統設計[J].信息技術，2016（4）：60-63.