光照自動尋向太陽能供電系統設計

陸麗梅

（廣東省廣州市白云工商高級技師學院，廣東 廣州510420）

0 引言

改革開放以來，中國經濟快速發展，能源消費量隨之不斷攀升，2010年中國已成為世界上最大的能源消費國。煤炭、石油等一次性能源的枯竭使風電、光伏等可再生能源快速發展。中國國家電網能源研究所（SGERI）研究指出，2015年-2050年再生能源將提供66%的發電量，其中太陽能風能占41%[1]。太陽能具有環保，效率高無枯竭危險，在使用上對地理位置要求較低等優勢。在政策扶持和國內市場需求被激發的情況下，近年我國在利用太陽能的光伏發電方面發展迅速。在應用分布上，目前光伏發電36%集中在通信和工業應用，51%在農村邊遠山區的應用，小部分應用于太陽能商品如計算器、手表等。除此以外，光伏的應用呈多樣化趨勢，與扶貧、農業、環境等相結合。但我國光伏設備效率低，成本較高，難于普及到普通居民的家庭中。為此，設計了一種光照自動尋向太陽能供電系統，其效率高，成本低，體積小，輸出功率能滿足家庭日常供電，具有很廣的推廣價值。

1 光照自動尋向太陽能供電系統設計的功能需求

壞電器。本供電系統特別面向農村山區的用電設計，以通過太陽能發電提供供電補充。因此需要與其他供電系統銜接，保證供電不間斷。為此，需要實現供電自動轉換功能。

1.2 自動檢測電壓的功能

我國的人均月用電量低還表現在供電電壓的不足、電路電壓不穩定，線路電壓不足或不穩定。因此，系統應具有自動檢測電壓功能，當檢測到家庭電壓不足時能自動切換到蓄電池供電，保證家庭供電的穩定。

1.3 經濟節能

邊遠山區經濟滯后，主要都是以農作務及家畜養殖為主，收入低，本設計成本低，包括太陽能板及所有電路成本不到800元，所以合適邊遠山區經濟滯后地區使用。

1.4 便捷移動方便應急使用

滿足很多事故現場的用電，如地震、礦難、戶外運動等。適用各種救急現場斷電的使用。

本設計尺寸小（45 mm×60 mm×20 mm），重量輕（質量為3 kg），輸出電壓種類齊，有5 V電壓可供手機、節能燈供電；有12 V電壓供音箱喇叭等設備供電；220 V可供電機、照明等用電，滿足各種應急場合解決用需求。

1.1 實現供電轉換保證家庭不斷電的供電

我國農村邊遠山區經常停電，人均月用電量不到8千瓦時[2]，經常斷電除了給人帶不為便，還會損

2 光照自動尋向太陽能供電系統硬件設計

2.1 系統組成方框圖

本供電系統主要由控制中央處理器、太陽能板、太陽能板驅動電路、光電轉換電路、逆變電路、充電電路[3]、智能檢測電路、保護電路等組成。具有光線全天候追蹤、智能充電、智能檢測、安全保護、電量指示、自動檢測充電、自動超載保護等現代化的智能管理功能[4]，并在自動光照尋向太陽能供電的基礎上增加了手操作等控制形式。其構成原理如圖1所示。太陽能板四方的四個光敏傳感器采集太陽光線通過電位轉換送到單片機的PA1-PA4口，以判斷送出信號給步進電機，控制太陽能板轉動面向太陽光線最強的方向。太陽能板吸收的光能轉換成電能給蓄電池充電，同時電源電路輸出DC＋5VUSB、＋12VJACK電壓，逆變器將12VJACK電壓逆變220 V50 Hz交流輸出。同時檢測電路檢測蓄電池電量、溫度進行時實監控，并將檢測信號送到單片機的PB4/PA6腳進行檢測控制，如果電池電量充足，則切斷電路停止給蓄電池充電；如果溫度過高則電路進入自我保護，切斷220V 50Hz交流輸出。

圖1 光照自動尋向太陽能供電系統組成方框圖

2.2 步進電機驅動原理及控制電路

步進電機的驅動IC采用的型號為UL N2003，它是大電流驅動陣列，多用于單片機、智能儀表、PLC、數字量輸出卡等控制電路中，可直接驅動繼電器等負載。ULN2003是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產品，具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點，適應于各類要求高速大功率驅動的系統。步進電機驅動原理圖如下圖2。

圖2 步進電機驅動原理圖

電機控制電路由霍爾傳感器、磁鐵、電機組成，其構成如下圖3。

圖3 電機控制電路

電機的驅動主IC使用ULN2003，單片機給出的4路脈沖信號送入驅動IC為5線4相的步進電機掃描，使電機內線圈交替得電，從而步進轉動，當某一方光線最強時，單片機將發出電機轉動命令，直到轉軸上的磁鐵與光線最強位置點上的霍爾傳感器靠近時，電機停止轉動，至使太陽能板轉到相對最佳位置點上。

2.3 太陽光線采集電路

太陽光線的采集板的四個方位放置個光敏電阻用于采集東、南、西、北的不同光線強度值，四個光敏電路串聯在100 K電阻電路中，當光敏電阻受不同強度光線照射后，其阻值的變化便影響電流的變化，把電流再轉換成電壓值，通過MCU的四路ADC掃描后會自動比較出四路分壓點的最大電壓值，即太陽光線最強的方位，MCU最終會給出一個步進電機轉動的命令，經過判斷各方位霍爾傳感器的有效和無效來進行定位達到自動追蹤的目的，若要更精確的跟蹤太陽光線可設多路方位處理。其電路原理圖如下圖4。

圖4 4路太陽光線的采集原理圖

2.4 電源逆變電路

逆變電路主要由2SJ471和2SK2956對管組成，其附屬電路由Q502、Q503構成控制信號幅度放大，使單片機5 V的幅度控制信號放大到12 V驅動2SJ471、2SK2986對管。當Q502的b極為高電平，Q503的b極為低電平時則對管Q504、Q507導通，反則Q506、Q505導通，當單片機輸出50 Hz的高低變化電平時，在對管的輪流導通影響下，逆變變壓器的初級將會產生一個來回逆轉的變化電流，那么次級就能得到一個交變的高電壓。經測試該逆變電路的短路電流為5 A，空載時電壓為300 V/AC左右。電源逆變電路原理如下圖5。

圖5 逆變電路原理圖

2.5 超載保護電路

逆變的超載保護電路已由圖7提供，輸出級設有電流互感器，超過正常負載時，MCU的PB0腳會變成高電位，從而使繼電器工作來斷開電源進行保護。由于逆變器的短路電流接近5 A，因此，超負載時會在T502初級產生很大的電流，那么T502的次級電壓就會發生變化，經D501整流后，此時分壓點在PA6腳上的電平將由低到高發生變化，經單片機檢測到后使PB0送出高電平，那么Q500管就會截止，J500便失電斷開，逆變停止，此時為保護狀態避免了器件的燒毀，如需再次使用逆變則必須拔掉超負荷電器，重新復位。

2.6 系統溫控電路

在整個系統中，工作時會由于時間的增加而稍微發熱，為了在夏天保險起見。因此使用了LM358來進行溫度控制，當逆變變壓器的熱敏電阻R408和充電變壓器的熱敏電阻R407的任意一個阻值發生變化時就會與R405兩端的電壓進行比較，如果LM358的同相端電壓大于反向端的電壓時，1腳輸出為高電平，為避免在臨界溫度點出現時斷時續現象，所以加了R402反饋，使IC翻轉具有適當的滯后量，從而輸出一個穩定的控制信號，此時Q400導通，集電極的電壓由高到低的變化讓單片機檢測后送出散熱風扇M400的轉動指令，為了節能，經定時器兩分鐘計時后風扇停止，即達到了溫度的控制。下圖6為系統的溫控電路原理圖。

圖6 系統的溫控電路原理圖

2.7 系統充電電路

系統充電電路的原理如下圖7。

圖7 系統的充電電路

充電電路主要由太陽能板和市電來完成。當充電開關鎖定時，單片機會判斷有無市電輸入。有則會選擇市電充電，Q300導通后J300得電即使用T500整流后的電壓充電，沒有市電輸入則采用太陽能板來充電，當電瓶充滿電后，檢測點PB3腳會得到一個檢測信號，此時單片機給出停止充電命令，充電停止。如果光電耦合檢測點A、B的兩個信號送入與門IC74HC08進行與運算時得出1，那么此時的備用電瓶缺電，單片機給出充電指令，對電瓶充電，LED001充電指示亮，反之則不充電。

2.8 電量顯示電路

電量的顯示采用LM3914 IC對電量分別進行等份電壓指示總共用了4個綠色LED燈來顯示，當滿電時，LM3914 的 18、17、15、13 腳分別低于供電電壓3 V左右，此時LED燈顯示為綠色，如果缺電時，則各輸出引腳接近電源電壓，LED燈全滅，系統此時會斷開對逆變器的供電，提醒充電。電量顯示電路圖如下圖8。

圖8 電量顯示電路圖

2.9 電源輸出電路

本作品設有4個USB接口，其中兩個為太陽能板和兩個電瓶USB接口。通過7805穩壓模板對電源穩壓到5 V接入到各USB口供電，閉合S101時，LED101、102燈便發光照明。下圖9為電路原理圖。

圖9 USB及照明電路圖

3 系統主程序設計

系統主程序采用C語言進行編程，其程序設計如下圖10。

圖10 系統主程序

4 系統調試與仿真

4.1 仿真效果圖

利用proteus進行ADC光線采集比較的仿真，效果如圖11所示。

圖11 在proteus中，ADC光線采集比較的仿真效果

4.2 實物圖

本設計將控制中央處理器、太陽能板、太陽能板驅動電路、光電轉換電路、逆變電路、充電電路、智能檢測電路、控制開關、保護電路及輸入輸出電路裝入PC材料盒子中，圖中的電路板都是用萬能板進行電路連接、焊接、調試等功能檢測再進行電路的PCB設計并發工廠制作，下圖12為組裝好的萬能板的實物圖；圖13為太陽能光板，用H36云臺做支架，牢固，美觀；圖14為進行太陽能采集測試圖；圖15為逆變電路性能測試圖。

圖12 整體電路

圖13 太陽能板及云臺

圖14 太陽能采集測試

圖15 逆變電路測試

5 結束語

本設計組裝從設計到制作，檢測調試成功經歷三個多月時間，系統在一個裝有四個燈炮、一個冰箱、100 W功放機、1000 W熱水器實驗室試用了2個月，整個系統運行正常。在廣州夏季，實驗室利用本系統供電，2個月電表只轉動0.2千瓦時，能實現設計的最初目的，后期還需對產品進行包裝如把電路設計成PCB板，并發給廠家制作PCB板及設計LOGO等。期待本產品能進入邊遠山區的家庭及應急場合作急救之用。