面向小型電子系統(tǒng)的智能光伏電源設(shè)計(jì)

包祖超，張 含，程泰之，卜凡朕，李 昂

（南京理工大學(xué)紫金學(xué)院，江蘇 南京 210000）

0 引 言

隨著城市化的快速發(fā)展，諸多挑戰(zhàn)接踵而至，如資源的破壞和環(huán)境的污染限制了城市發(fā)展的速度，影響了居民的生存和發(fā)展。2017 年，國(guó)務(wù)院轉(zhuǎn)發(fā)國(guó)家發(fā)展改革委、住房城鄉(xiāng)建設(shè)部《生活垃圾分類制度實(shí)施方案》，大力推進(jìn)生活垃圾分類，提升城市管理和服務(wù)，創(chuàng)造優(yōu)良的生活環(huán)境，并在46 個(gè)城市先行試點(diǎn)實(shí)施，取得良好效果[1]。垃圾分類有助于減少占地與污染，變廢為寶。由此，智能垃圾桶應(yīng)運(yùn)而生，但卻面臨供電困難的問(wèn)題。隨著能源危機(jī)和環(huán)境壓力不斷加大，如何高效利用太陽(yáng)能已然成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。太陽(yáng)能是一種高品質(zhì)的清潔能源，其具有資源豐富、安全、廉價(jià)、可自由利用等特性。然而在大多數(shù)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，太陽(yáng)能采集板的架設(shè)方向均固定，無(wú)法隨著太陽(yáng)光線的偏斜而變化，大大降低了太陽(yáng)能的使用率。采用太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤技術(shù)可以有效提升太陽(yáng)能的發(fā)電效率，據(jù)相關(guān)研究調(diào)查顯示：同等條件下，采用自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)相比固定裝置系統(tǒng)的發(fā)電量提高約30%[2]。因此，如何實(shí)現(xiàn)高效的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤是當(dāng)前急需解決的問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤技術(shù)主要分為兩種：一種是視日追蹤法，其由程序控制，預(yù)先設(shè)計(jì)好運(yùn)動(dòng)軌跡，根據(jù)所在地區(qū)的經(jīng)緯度和具體時(shí)間，由javascript：void（0）程序計(jì)算太陽(yáng)的方位角、高度角。它可以不受天氣狀況的影響實(shí)現(xiàn)全天候自動(dòng)追蹤。但同時(shí)也存在弊端，該方法對(duì)經(jīng)緯度和時(shí)間信息的精準(zhǔn)性有著很高的要求。另一種是光電跟蹤法，其通過(guò)光敏傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控太陽(yáng)位置，依據(jù)光照強(qiáng)度的不同轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)字信號(hào)，然后把電信號(hào)傳輸?shù)娇刂破鳎儆煽刂破骺刂戚S運(yùn)動(dòng)。該方法與視日追蹤法相比，操作更便捷，靈敏度更高，追蹤的準(zhǔn)確度也更高，但易受天氣影響，特別是遇到陰雨天氣，存在較大的誤判風(fēng)險(xiǎn)[3]。

據(jù)此，本文設(shè)計(jì)了一款基于Arduino 單片機(jī)的4 路光敏傳感器與雙軸結(jié)合的自動(dòng)太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)。通過(guò)系列試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的正確性和有效性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由Arduino 單片機(jī)、光敏電阻、SG90 舵機(jī)、GN3795 太陽(yáng)能充電模塊等組成。總體設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 總體設(shè)計(jì)框架

1.1 Arduino 單片機(jī)

Arduino 單片機(jī)處理速度快、兼容性好，硬件資源豐富，核心為ATmega328P 微控制器。它有14 個(gè)數(shù)字輸入/輸出引腳（其中6 個(gè)可用作PWM 輸出），6 個(gè)模擬輸入，16 MHz晶振時(shí)鐘，USB 連接，電源插孔，ICSP 接頭和復(fù)位按鈕。其功能強(qiáng)大，功耗低，只需5 V 電壓便可驅(qū)動(dòng)，使用方便。

1.2 追光模塊設(shè)計(jì)

為保證光敏傳感器能夠精確檢測(cè)到有效信號(hào)，本設(shè)計(jì)將4 個(gè)光敏電阻傳感器分布在平面直角坐標(biāo)系的4 個(gè)象限內(nèi)[4]。此設(shè)計(jì)較5 個(gè)光敏電阻傳感器的設(shè)計(jì)而言，追光效果更明顯。原因在于5 個(gè)光敏傳感器（位于4 個(gè)象限和原點(diǎn)）中原點(diǎn)接收的光照強(qiáng)度最大，不能準(zhǔn)確識(shí)別太陽(yáng)的具體方位。當(dāng)太陽(yáng)光線照射到光敏電阻傳感器時(shí)，經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器將信號(hào)傳輸給單片機(jī)的微控制器。

1.3 雙軸裝置設(shè)計(jì)

為充分提高自動(dòng)追蹤效率，自動(dòng)追蹤裝置采用雙軸追蹤方式，如圖2（a）、圖2（b）所示。裝置包括水平轉(zhuǎn)軸和豎直轉(zhuǎn)軸，確保太陽(yáng)光線照射的方向始終與太陽(yáng)能電池板保持垂直，進(jìn)而提高太陽(yáng)能采集效率。

圖2 裝置設(shè)計(jì)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 追光模塊的原理及其算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用的追光模塊為光敏電阻，如圖3（a）所示。這是由一種半導(dǎo)體材料制成的光電子元件，光敏電阻較其他光電傳感器具有靈敏度高、成本低和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。光敏電阻受光照射后電阻值發(fā)生變化，光照強(qiáng)度與其阻值負(fù)相關(guān)，光照強(qiáng)度越強(qiáng)，其對(duì)應(yīng)的阻值就越小。光敏電阻的工作原理如圖3（b）所示。

圖3 光敏電阻及其工作原理

追光模塊的工作原理：用兩塊不透明且中軸線有槽的木板把平面隔成平面直角坐標(biāo)系的4 個(gè)象限，當(dāng)太陽(yáng)光線照射到追光模塊時(shí)，某個(gè)象限內(nèi)的光敏傳感器檢測(cè)到光照強(qiáng)度最強(qiáng)時(shí)，其余3 個(gè)象限可能由于被木板所擋，不能被照射到或照射的光照強(qiáng)度比較弱。進(jìn)而獲取4 個(gè)象限內(nèi)光敏電阻的檢測(cè)值，傳輸給微處理器，經(jīng)過(guò)一系列算法分析處理，確定追蹤裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)方向[5-6]。

追光模塊模型如圖4 所示。在水平方向：當(dāng)Ⅰ和Ⅳ象限的測(cè)量值大于Ⅱ和Ⅲ象限的測(cè)量值時(shí)，表明Ⅰ、Ⅳ象限的光照比較強(qiáng)，水平方向的舵機(jī)向左轉(zhuǎn)；反之，向右轉(zhuǎn)。在豎直方向：當(dāng)Ⅰ和Ⅱ象限的測(cè)量值大于Ⅲ和Ⅳ象限的測(cè)量值時(shí)，豎直方向的舵機(jī)會(huì)向上翻轉(zhuǎn)；反之，向下翻轉(zhuǎn)。水平方向轉(zhuǎn)軸追蹤算法如圖5 所示[4]，其中，模擬量a值代替光敏電阻的測(cè)量值。

圖4 追光模塊模型

圖5 水平方向轉(zhuǎn)軸追蹤算法

2.2 追光舵機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用的是適用于角度不斷變化并可以保持的SG90 伺服舵機(jī)，如圖6 所示。工作原理：由接收機(jī)發(fā)出信號(hào)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)減速齒輪將動(dòng)力傳遞給擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回信號(hào)，進(jìn)而判斷是否已經(jīng)到達(dá)指定位置[7]。位置檢測(cè)器的實(shí)質(zhì)是一個(gè)可變電阻，當(dāng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)電阻發(fā)生變化，由此可知舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。如轉(zhuǎn)軸的位置與控制信號(hào)相符時(shí)，電機(jī)關(guān)閉。如果控制電路察覺(jué)到轉(zhuǎn)動(dòng)角度不對(duì)時(shí)，便會(huì)啟動(dòng)電機(jī)，直至角度到達(dá)預(yù)定位置。

圖6 SG90 伺服舵機(jī)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

組裝好的太陽(yáng)能自動(dòng)雙軸追蹤裝置如圖7 所示，實(shí)驗(yàn)硬件控制裝置如圖8 所示。

圖7 太陽(yáng)能自動(dòng)雙軸追蹤裝置

圖8 實(shí)驗(yàn)硬件控制裝置

為確保實(shí)驗(yàn)的有效性，本測(cè)試方案將該裝置置于光照較弱的室內(nèi)和光照較強(qiáng)的室外，在早、中、晚三個(gè)時(shí)間段分別測(cè)試，得出更準(zhǔn)確有效的結(jié)論。將裝置置于光照較弱的室內(nèi)，在早晨和傍晚光照極弱的環(huán)境下，追光裝置對(duì)光線追蹤不太準(zhǔn)確。在光照較強(qiáng)的室外，無(wú)法準(zhǔn)確追蹤太陽(yáng)的方位。因光敏電阻的阻值與光照強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，光敏電阻的阻值變化還與光的波長(zhǎng)、光敏電阻本身的材料特性有關(guān)[8-10]，因此在選擇光敏電阻時(shí)，需考慮光敏電阻自身的材料特性。為保證本裝置能在光照較強(qiáng)的室外正常工作，我們?cè)诠饷綦娮枨凹恿艘粔K有色玻璃，降低太陽(yáng)直接照射的光照強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)證明，該方法行之有效。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1 所列。

表1 測(cè)試結(jié)果

據(jù)此實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果得出以下改進(jìn)措施：

（1）本自動(dòng)追光裝置在光照較強(qiáng)的環(huán)境下，需要在光敏電阻前加上有色玻璃，可有效減弱光強(qiáng)，進(jìn)而增強(qiáng)追光裝置的靈敏度。

（2）在光照較弱的環(huán)境下，光敏電阻的感光靈敏度還有待提升，可以換用靈敏度更高的光敏電阻。

4 結(jié) 語(yǔ)

面向小型電子系統(tǒng)的智能光伏電源基于Arduino 單片機(jī)設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)將光電追蹤與雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)相結(jié)合，極大提高了系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)光線追蹤的準(zhǔn)確性，進(jìn)而切實(shí)提高了太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化效率。而在選擇光敏電阻時(shí)，因光照強(qiáng)度過(guò)大導(dǎo)致光敏電阻失靈，本文提出了兩種解決方法：一是在光敏電阻前加上有色玻璃，有效削弱光照強(qiáng)度過(guò)大對(duì)光敏電阻的影響；二是換用耐光性更強(qiáng)的光敏電阻。相信本設(shè)計(jì)能夠極大助力太陽(yáng)能發(fā)電，節(jié)約能源。

注：本文通訊作者為李昂。