基于光強(qiáng)感知的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

李 爭，羅曉瑞，解 波，曹 欣，孫鶴旭

（1.河北科技大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北石家莊 050018；2.河北建投新能源有限公司，河北石家莊 050051）

在“雙碳”目標(biāo)下，可再生能源的開發(fā)顯得尤為重要。其中，太陽能資源的開發(fā)和利用具有廣闊的發(fā)展前景[1-3]。目前，已投入使用的太陽能設(shè)備有很多，如太陽能電池板、太陽能熱水器等，但這類設(shè)備的太陽能利用率較低且能量轉(zhuǎn)換效率較低。因此，設(shè)計和實(shí)現(xiàn)可提升太陽能收集效率的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)尤為重要[4-5]。

為最大化太陽能的利用率，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。例如：羅來武等人[6]研制了跟蹤式聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)；秦佳妮等人[7]對太陽能發(fā)電跟蹤裝置遠(yuǎn)程測試系統(tǒng)進(jìn)行了研究；白濤[8]提出了一種太陽光追蹤照明系統(tǒng)的控制方法；韓悅等人[9]研發(fā)了基于STM32的多功能太陽能追蹤系統(tǒng)。但是，聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展緩慢，仍處于初級的實(shí)驗(yàn)研發(fā)階段，尚缺乏能夠大規(guī)模應(yīng)用的成熟商業(yè)化產(chǎn)品。

綜上，在太陽能發(fā)電的基礎(chǔ)上，結(jié)合最大功率跟蹤原理，筆者提出了一種基于光強(qiáng)感知的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)。首先，對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，并對其總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計；然后，根據(jù)太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)對各模塊的功能需求，對系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行選型并對其軟件進(jìn)行設(shè)計；最后，搭建實(shí)驗(yàn)平臺以進(jìn)行太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的組裝、調(diào)試，同時開展功能測試來驗(yàn)證其性能。

1 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)總體設(shè)計

基于太陽能板的光伏效應(yīng)，為實(shí)現(xiàn)太陽能利用率的最大化，太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)設(shè)有2種工作模式：自動模式和手動模式。在自動模式下，該系統(tǒng)通過光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由于太陽能板兩側(cè)的光照強(qiáng)度不同，使得兩側(cè)光敏電阻的阻值不同，故太陽能板兩側(cè)的電壓不同，利用電壓比較器可實(shí)現(xiàn)太陽能板兩側(cè)光照強(qiáng)度的比較，從而控制步進(jìn)電機(jī)帶動太陽能板向光照強(qiáng)度較強(qiáng)的一側(cè)轉(zhuǎn)動。在手動模式下，使用按鍵或手機(jī)APP（application，應(yīng)用程序）來控制步進(jìn)電機(jī)動作，通過其正向或反向轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)太陽能板的位置[10-12]。

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的工作原理如下：當(dāng)系統(tǒng)不需要用電時，若有陽光，則太陽能板吸收光能并跟隨太陽轉(zhuǎn)動，以提高采光效率，光能轉(zhuǎn)化為電能后存儲在鋰電池中。當(dāng)系統(tǒng)需要用電時，若有陽光，則太陽能板吸收的光能優(yōu)先用于供電，但當(dāng)太陽能板所吸收光能無法滿足用電需求時，需聯(lián)合鋰電池共同供電；若無陽光，則直接用鋰電池供電。在跟蹤過程中，太陽能板的光照強(qiáng)度和鋰電池的存儲電量在液晶顯示器上實(shí)時顯示。同時，在系統(tǒng)控制器的驅(qū)動下，可通過藍(lán)牙通信設(shè)備將液晶顯示屏上的信息數(shù)據(jù)傳輸至手機(jī)APP，利用Android軟件開發(fā)平臺即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)測。在不同的太陽光照強(qiáng)度下，可通過遠(yuǎn)程控制切換自動模式和手動模式[13-14]。

基于上述工作原理，結(jié)合模塊化思想對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計。該系統(tǒng)主要由太陽能采集模塊、電機(jī)控制模塊、充電模塊、主控模塊、顯示模塊、手機(jī)APP藍(lán)牙通信模塊以及A/D（analog/digital，模/數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊等組成，其組成框圖如圖1所示[15]。

圖1 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of solar intelligent tracking system

2 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)備選型

2.1 主控模塊

主控模塊是整個太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)調(diào)控電路、執(zhí)行程序和驅(qū)動負(fù)載，其主要由復(fù)位電路、時鐘電路和電源等組成。鑒于所設(shè)計系統(tǒng)的功能較為簡單，對主控模塊的要求不高，而STC89C52單片機(jī)價格便宜，編程難度小，因此選取STC89C52單片機(jī)作為主控模塊。主控模塊的電路圖如圖2所示。

圖2 主控模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of main control module

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832芯片具有兩級輸入寄存器，能直接與STC89C52單片機(jī)進(jìn)行通信，且具有體積小、性價比高和兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。因此，選取ADC0832芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器，用于配合光敏電阻和電壓比較器實(shí)現(xiàn)電壓采集和信號轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of A/D conversion module

2.3 充電模塊

充電模塊主要由太陽能板、充電電路、鋰電池、自鎖開關(guān)和升壓電路組成。其中，鋰電池的材料為鋰金屬或鋰合金，具有較高的電壓，一般為3.7 V或3.2 V，約是3個鎳鎘電池的串聯(lián)電壓；且其能量密度相對較高，重量較小以及壽命較長，一般可使用6年以上，最多可充放1 000次左右。此外，鋰電池還具有高功率承受力、低自放電、無記憶效應(yīng)以及溫度適應(yīng)性強(qiáng)（可適應(yīng)的溫度范圍為-20～60℃）等優(yōu)勢。綜上，選擇鋰電池作為蓄能電池有顯著優(yōu)勢。

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的工作過程中，有可能會出現(xiàn)鋰電池電量不足的情況。當(dāng)供電電壓不足5 V時，太陽能板無法對系統(tǒng)供電。因此，添加了一個升壓電路，即將鋰電池的電壓穩(wěn)定升至5 V，以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定供電。充電模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 充電模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of charging module

2.4 電機(jī)控制模塊

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行過程中，為了確保太陽能板能一直在最大功率下工作，須使其自主地根據(jù)時刻變化的太陽光進(jìn)行順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，從而始終保持正對太陽光的照射位置。太陽能板的轉(zhuǎn)動主要是通過控制全橋電路上下管的交替導(dǎo)通來使電壓換向，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正向、反向轉(zhuǎn)動來實(shí)現(xiàn)的。電機(jī)控制模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 電機(jī)控制模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of motor control module

2.5 太陽能采集模塊

太陽能采集模塊主要由光敏電阻、電壓比較器和發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）等組成。其中，電壓比較是太陽能采集過程中最為關(guān)鍵的一環(huán)，故電壓比較器的選擇尤為重要。本文選用LM393電壓比較器，其是一個兩路電壓比較器，通過對輸入端的2個電壓進(jìn)行比較后，根據(jù)其大小關(guān)系輸出相應(yīng)的電壓。太陽能采集模塊的電路圖如圖6所示。

圖6 太陽能采集模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of solar energy acquisition module

3 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括：主控程序設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計、顯示程序設(shè)計和手機(jī)APP藍(lán)牙通信程序設(shè)計[15-17]。鑒于主控程序和A/D轉(zhuǎn)換程序?yàn)樘柲苤腔鄹櫹到y(tǒng)中最關(guān)鍵的軟件程序，故本文僅對其進(jìn)行詳細(xì)介紹。

3.1 主控程序設(shè)計

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的主控程序主要由初始化、數(shù)據(jù)運(yùn)算、藍(lán)牙連接和顯示等4個部分組成，其設(shè)計的基本思路如下：首先，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化并定義相關(guān)參數(shù)；然后，檢測太陽能板（始終傾斜于水平線45°）兩側(cè)的電壓并進(jìn)行比較，當(dāng)太陽能板一側(cè)的電壓明顯大于另一側(cè)時，利用步進(jìn)電機(jī)帶動太陽能板朝電壓小的一側(cè)轉(zhuǎn)動，以吸收光能并轉(zhuǎn)化為電能存儲在鋰電池中；最后，檢測鋰電池的電壓并顯示在液晶顯示屏上。太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)主控程序的流程如圖7所示。

圖7 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)主控程序流程Fig.7 Main control program flow of solar intelligent tracking system

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)可通過4個按鍵或4個手機(jī)APP指令實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)，其工作流程如下：打開電源，系統(tǒng)默認(rèn)為自動模式，根據(jù)當(dāng)前的光照情況自動調(diào)節(jié)太陽能板位置，以實(shí)時跟蹤太陽光。當(dāng)按下按鍵1或通過手機(jī)APP發(fā)送“M+回車符”指令時，系統(tǒng)會切換到手動模式，太陽能板不再根據(jù)太陽光照強(qiáng)度自主旋轉(zhuǎn)。當(dāng)按下按鍵2或通過手機(jī)APP發(fā)送“Z+回車符”指令時，太陽能板進(jìn)行正向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)按下按鍵3或通過手機(jī)APP發(fā)送“F+回車符”指令時，太陽能板進(jìn)行反向旋轉(zhuǎn)；當(dāng)按下按鍵4或通過手機(jī)APP發(fā)送“T+回車符”指令時，太陽能板將吸收的光能存儲到鋰電池中，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自主供電；同時，將檢測到的電壓值和鋰電池的剩余電量實(shí)時顯示在液晶顯示屏或手機(jī)APP上。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)中，須將光敏電阻采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該系統(tǒng)采用ADC0832芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其可同時測量兩路電壓，測量范圍為0～5 V。A/D轉(zhuǎn)換程序流程如圖8所示：在需要測量電壓時，通過串行協(xié)議打開ADC0832芯片片選，并將D0端設(shè)為高阻態(tài)；然后，設(shè)置ADC0832芯片起始位和雙通道的單極性輸入，當(dāng)D0端為低電平時，選擇通道0，當(dāng)D0端為高電平時，選擇通道1；接著，D0端取消高阻態(tài)，準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)，通過循環(huán)依次讀取數(shù)據(jù)；最后，在完成數(shù)據(jù)讀取后取消ADC0832芯片片選。

圖8 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換程序流程Fig.8 A/D conversion program flow of solar intelligent tracking system

4 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)調(diào)試與功能測試

4.1 硬件調(diào)試

根據(jù)上述模塊的電路連接原理，對各硬件設(shè)備進(jìn)行焊接，在完成其余模塊與主控模塊的連接后，進(jìn)行電路連通情況檢查以及功能實(shí)現(xiàn)調(diào)試。組裝完成的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)實(shí)物如圖9所示[18-19]。

圖9 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)實(shí)物Fig.9 Physical object of solar intelligent tracking system

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)硬件調(diào)試階段：

1）在太陽光照較充足的條件下開展現(xiàn)場模擬，若充電不正常，則可能是電壓過大導(dǎo)致穩(wěn)壓二極管燒壞故障，需檢查連接電路并在更換二極管后再次開展實(shí)驗(yàn)[20-21]。

2）在鋰電池充電過程中，若充電電流設(shè)置太小，則無法滿足負(fù)載流水燈的使用要求，須重新設(shè)置充電電流。

3）在調(diào)試單片機(jī)時，若單片機(jī)無法控制指示燈，則可能是三極管發(fā)射極電壓過高所致。當(dāng)單片機(jī)輸出高電平時，三極管的基極與發(fā)射極的壓差大于0.7 V，仍能導(dǎo)通。因此，需要通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來改變?nèi)龢O管發(fā)射極的電壓。

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是指對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的整個控制流程進(jìn)行調(diào)試，以使其性能更加完善。

根據(jù)太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)各模塊的功能，對各程度代碼進(jìn)行編寫、檢查和調(diào)試。通過下載器將編譯好的程序文件下載到單片機(jī)存儲器內(nèi)并上電調(diào)試，觀察太陽能板是否能實(shí)現(xiàn)太陽光追蹤、鋰電池和太陽能板是否能正常為系統(tǒng)供電以及液晶顯示屏是否能正常顯示。

在軟件調(diào)試過程中，初始設(shè)計參數(shù)往往難以滿足系統(tǒng)實(shí)際需求，必須通過不斷的調(diào)試來確保系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)。

4.3 整機(jī)功能測試

4.3.1 通電檢查

完成軟硬件調(diào)試后，對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的輸入電壓和各模塊的電壓進(jìn)行測試，保證電壓正常，且其輸入誤差在允許范圍內(nèi)。

4.3.2 功能檢查

1）太陽能采集功能。

開機(jī)后，上電復(fù)位，對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后利用手電筒對太陽能板左右照射，以模擬時刻變化的太陽光的照射。若太陽能板能隨照射方向轉(zhuǎn)動，則說明太陽能采集功能正常。

2）供電功能。

系統(tǒng)采用太陽能板和鋰電池雙重供電方式，無需外部供電。在系統(tǒng)運(yùn)行后，將太陽能板放置于黑暗的環(huán)境中，此時若系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行，則說明鋰電池供電正常。將太陽能板置于光照條件下，若液晶顯示屏上實(shí)時顯示鋰電池電量增加，則說明太陽能板供電正常。

3）顯示功能。

在系統(tǒng)運(yùn)行后，對其顯示功能進(jìn)行測試。在系統(tǒng)運(yùn)行后，若液晶顯示屏能夠?qū)崟r更新和顯示當(dāng)前的光照強(qiáng)度和鋰電池的剩余電量（見圖10），則說明其顯示功能正常。

圖10 液晶顯示屏界面Fig.10 Liquid crystal display screen interface

4）手機(jī)APP運(yùn)行功能。

打開手機(jī)藍(lán)牙，進(jìn)行配對連接，可通過語音提示確認(rèn)是否連接成功。嘗試?yán)盟{(lán)牙將所檢測的光照強(qiáng)度和鋰電池電量傳輸至手機(jī)APP，若能查看液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)信息，則說明該APP能夠正常運(yùn)行。同時，利用手機(jī)APP在不同環(huán)境下發(fā)送不同指令，觀察系統(tǒng)能否實(shí)現(xiàn)自動模式或手動模式的調(diào)整，若能正常實(shí)現(xiàn)切換，則說明遠(yuǎn)程控制功能可實(shí)現(xiàn)。

4.3.3 功能測試結(jié)果

硬件調(diào)試后，測得太陽能板兩側(cè)的正常電壓為12.87 V。經(jīng)升壓電路后，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定為10.16 V，三極管基極的電壓為5.17 V，控制充電電壓為5.03 V，鋰電池充滿后電壓為3.7 V。為驗(yàn)證所設(shè)計太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢，特與太陽能固定軸系統(tǒng)進(jìn)行比較，通過對比不同時刻輸出電壓來判斷其優(yōu)劣。圖11所示為晴天條件下2種太陽能跟蹤系統(tǒng)輸出電壓隨時間的變化情況。由圖可知，隨著太陽光照強(qiáng)度的變化，太陽能固定軸系統(tǒng)和太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)均能夠進(jìn)行發(fā)電；相較于太陽能固定軸系統(tǒng)，太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)在太陽光捕獲方面更具優(yōu)勢，且其對光照強(qiáng)度的響應(yīng)更加靈敏，輸出電壓較高。

圖11 太陽能跟蹤系統(tǒng)輸出電壓隨時間的變化情況Fig.11 Change of output voltage of solar tracking system with time

5 結(jié) 論

為解決現(xiàn)實(shí)生活中太陽能密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時間不斷變化等問題，設(shè)計了一款基于光強(qiáng)感知的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)，以提高太陽能利用率。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，所得結(jié)論如下：

1）基于STC89C52單片機(jī)的主控模塊可根據(jù)對不同環(huán)境下光照強(qiáng)度的準(zhǔn)確判斷，實(shí)現(xiàn)太陽能板對太陽光的智慧追蹤。

2）手機(jī)APP可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，整個太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)可在自動模式和手動模式下工作。

3）采用太陽能板與鋰電池相結(jié)合的供電方式，可以提高太陽能的利用率。

4）與太陽能固定軸系統(tǒng)相比，太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，既能節(jié)約能源，又能提供良好的供電水平，滿足高科技產(chǎn)品的需求，也符合現(xiàn)代能源利用的發(fā)展趨勢。