光伏發電雙軸智能跟蹤系統設計

廣東電網梅州豐順供電局 黃潤德

隨著社會的科技快速發展，全球對能源的消耗量成幾何倍數增長，但至今為止人類社會活動的首要能源仍來自化石燃料焚燒。因此，新能源的探尋和開發利用刻不容緩。光伏發電雙軸智能跟蹤系統選取單片機STM32作為核心處理芯片，以鋰電池充電保護TP4056為基礎設計充電控制裝置，同時利用光電傳感器跟蹤光源位置，以ULN2003型步進電機作為執行器件，設計出具有智能跟蹤光源功能的獨立光伏發電系統，以達到最大限度的提高太陽能的利用率的目的。

光伏發電最大的問題是如何將太陽能的轉化率提高至理想值，當前提高光伏發電效率首要是將光能的轉化率和光照的有效采集兩個方面開始研究。因為地球自轉與公轉的運動特性，使得太陽和地球的相對位置每分每秒在發生改變。因此，如何研究設計一種光伏發電系統，讓太陽入射光線始終光伏發電板保持90°，以確保能在單位時間和單位面積上光能采集率最大，所以要求研究設計系統要能夠保證光伏發電板與太陽的相對位置不發生改變。數據表明：光伏發電陣列應用跟蹤模式在能量利用率方面，比固定模式的提高接近35%，比高聚焦比系統提高20%。所以研究設計光伏發電雙軸智能跟蹤系統對提高太陽能利用具有現實意義。

1 雙軸智能跟蹤系統的光電追蹤原理

雙軸智能跟蹤裝置的機械結構如圖1所示，以兩個步進電機分別控制執行裝置的高度角和方位角空間的轉動以實現光伏發電板與太陽照射光線時刻保持垂直，兩臺步進電動機旋轉控制跟蹤太陽高度角和方位角的變化。由位置跟蹤理論可知，太陽位置的參照對象是設備安裝地點水平面的南北方向線。在現實中，光伏發電裝置的安裝只能接近理論標準。

圖1 雙軸智能跟蹤裝置模型

光電傳感器的工作原理：當天氣是夜晚或者陰雨時，沒有足夠光照安裝在光伏發電板上的光電二極管所反應產生電壓值為Ua+Ub+Uc+Ud，且小于或等于系統設定值時，雙軸智能跟蹤系統處于休眠狀態下系統輸出步進電機轉動步數為0，執行機構保持停止狀態。直到光線達到最低需求光照發電強度，再進入智能跟蹤太陽的狀態。

當跟蹤設備位于光照強度足夠的環境時，裝在光伏發電板上的四個光電二極管感應電壓值之和Ua+Ub+Uc+Ud大于系統設定值，雙軸智能跟蹤系統進入智能跟蹤狀態。光敏電阻中電流信號在經過穩壓模塊后變為Ua、Ub、Uc、Ud，并傳送到控制芯片發出信號，控制步進電機的轉動方向與圈數。當Ua、Ub、Uc、Ud的電壓值大小不相等時，則垂直方向的電壓偏差量Δm和Δn將不等于零。電壓偏差量計算公式：

控制系統通過對Δm和Δn分析計算并轉變為步進電機的旋轉次數和旋轉方向，使設備能時刻跟蹤太陽。從而使光伏發電板與太陽光線相互垂直，四個光敏電阻接收到的光照強度不斷變化，使Ua、Ub、Uc、Ud的值大小趨近于相等。控制系統不斷采集AD信號，并控制執行機構使光伏發電板的方向與入射光線不斷趨近垂直，最終達到跟蹤太陽的目的。

2 系統總體設計

光伏發電雙軸智能跟蹤系統主要由控制裝置、執行裝置、檢測裝置、輔助裝置4部分組成。控制裝置包括STM32單片機核心電路、按鍵電路。執行裝置包括步進電機及ULN2003驅動電路、TFT彩屏顯示電路、光伏發電電路。檢測電路包括光照感應電路。輔助裝置包括TP4056鋰電池充電電路、穩壓電路、升壓電路等。

系統總體結構如圖2所示。

圖2 系統總體結構圖

系統實現的功能有如下，利用太陽能電池板進行光伏發電，并將電能儲存到鋰電池中，實現系統供電的自給自足；采集光敏電阻所受到的光照數據，并在TFT顯示屏中顯示光照強度的變化；“智能跟蹤模式”是系統自動追尋光照較強的方向，根據市場中步進電機的規格不標準，“智能跟蹤模式”分為自動1（順時針轉動），自動2（逆時針轉動）；“手動跟蹤模式”是系統通過人為的操作按鍵控制步進電機的轉動，從而改變太陽能板的朝向；通過STM32將電池電壓換算為電池容量，并TFT顯示屏中顯示鋰電池的電量，并當電量低45%，將電量數字顯示為紅色進行警示；為了避免當天氣不好時，系統儲蓄電量不足無法正常工作的情況。通過TP4056充電模塊就可以通過安卓數據線為系統提供電源。

3 系統的硬件設計

3.1 STM32單片機核心電路設計

STM32系列處理器是基于ARM 7架構的32位、能夠完成實時仿真和跟蹤的微控制器。選擇STM32作為雙軸智能跟蹤系統的核心電路是因為STM32的主要優勢：（1）使用ARM最新的、先進架構的Cortex-M3內核（2）具有出色的實時性能和功耗控制（3）便于開發，在醫療器械等領域中有廣泛應用，產品可快速開發進入市場。對于在一個平臺開發多個項目功能來說，STM32是最適合的選擇。因為當在設計系統時，STM32可以不修改原始設計框架及軟件的前提下，將系統的功能應用進行升級。

3.2 步進電機及ULN2003驅動電路設計

步進電機雖然已經廣泛在現實中應用，但不同于普通直流電機。它必須在由脈沖信號與驅動電路等構成的控制系統的控制下才能使用。鑒于單片機自身驅動能力弱及輸出的電信號較弱，故選擇ULN2003驅動步進電機動作。ULN2003內部具有消線圈反電動勢功能的二極管，用作啟動繼電器工作。一般控制系統在啟動ULN2003工作時，需要連接電阻值為2K的上拉電阻，同時COM引腳應當不接或直接電源相連。

3.3 按鍵電路設計

本系統采用輕觸按鍵，輕觸按鍵當按下按鍵使開關接通，松開按鍵時開關斷開，工作原理是利用它自身內部的金屬彈片的彈性形變來實現電路接通與斷開。按鍵作為系統的輸入，起到人機交互的樞紐控制作用。該系統中的單片機芯片控制引腳默認為高電位，當輕觸按鍵按下時，該單片機引腳變化為低電平，進而實現系統控制。系統的自動跟蹤模式和手動跟蹤模式通過按鍵進行選擇，當設置進入手動模式，其他四個按鍵分別控制電機：上翻，下翻，左轉，右轉。按鍵按一下，電機微動一點，持續按下電機持續動作。實現手動控制電機運行到某一狀態。

3.4 光照感應電路設計

智能跟蹤系統采用光敏電阻作為感應光照的元件，光敏電阻主要制作材料為半導體材料如：硫化鎘、硒化鎘等。它實現功能主要是依據內光電效應，光敏電阻在光照下產生載流子在電場力的作用下做漂移運動，電子往電源正極移動，空穴往電源負極移動，從而使其阻值與光照強度成正比。它自身對光照十分敏感，在無光環境時，呈高阻態，阻值可達1.5MΩ。在光照感應電路設計通過4組光敏電阻分別串聯分壓電阻通過電壓差實現執行機構的智能跟蹤。

3.5 光伏發電電路設計

光伏發電是將太陽能直接轉換為電能的技術，工作原理是運用半導體上的光生伏特效應。光伏發電裝置主要由太陽能電池板、控制裝置和逆變裝置、電能儲存裝置組成。在光伏發電電路中采用9V多晶硅太陽能電池板作為發電裝置，并將光能轉化而來的電能先通過LM7805穩壓，再通過充電模塊為鋰電池進行充電。由于需要的鋰電池兩端額定電壓為3.7V-4.2V，還需要為控制系統等電路進行供電。因此需要通過升壓電路將光伏發電產生3.7V電壓升壓至5V左右為整個系統進行供電。

光伏發電雙軸智能跟蹤系統是利用兩個步進電機控制太陽能電池板的方位角和高度角實現智能跟蹤。本系統是閉環跟蹤系統，能夠實現在光照條件下對太陽位置進行精準跟蹤。系統還可通過手動跟蹤模式和自動跟蹤模式隨時切換，讓系統在現實中的運轉更加穩定流暢，并使其精準度有一定程度的提高。選擇雙軸跟蹤的方式，最大限度的提高對太陽光的接收時間與強度，并完成對系統可靠性的分析與應用。在提高利用率的前提下，保證整體系統的可靠性。