基于單片機(jī)的光伏MPPT及太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

黃日威 譚偉付 廖烈健 歐志懂 莫富超

(廣西大學(xué)行健文理學(xué)院,廣西南寧 530000)

能源的開(kāi)發(fā)利用是世界發(fā)展和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)最基本的驅(qū)動(dòng)力。能源的開(kāi)發(fā)和有效利用推動(dòng)著世界經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng),支持著現(xiàn)代社會(huì)和現(xiàn)代文明,其中太陽(yáng)能依托其綠色環(huán)保、用之不竭的特點(diǎn)受到人們的關(guān)注。我國(guó)幅員遼闊,有著十分豐富的太陽(yáng)能資源。全國(guó)各地太陽(yáng)年輻射總量約為3340～8400MJ/m2,平均值為5842MJ/m2。開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能可再生資源,對(duì)建設(shè)和諧社會(huì)有著重大意義。在太陽(yáng)能光熱利用中,為了能得到足夠高的熱能,太陽(yáng)能集熱器必須從日出到日落跟蹤太陽(yáng)。在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中,相同條件下,自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備比固定發(fā)電設(shè)備發(fā)電量提高了三成,成本降低了25%。因此對(duì)太陽(yáng)能的跟蹤在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用,對(duì)太陽(yáng)能的跟蹤是十分重要的。

圖1 原理圖

1 工作原理

太陽(yáng)能光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)是通過(guò)嵌入式微處理器的分析和計(jì)算來(lái)自太陽(yáng)能光伏板上兩組傳感器所產(chǎn)生的電流值與固定值的對(duì)比差值,嵌入式微處理器的輸出信號(hào)對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制,使太陽(yáng)能光伏板能夠出接收更多的熱輻射,實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的充分吸收和利用。通過(guò)處理器輸出信號(hào)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制,讓太陽(yáng)能光伏板始終處于太陽(yáng)能輻射的最大面積。首先,利用光敏電阻的特性實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換,通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換器,把運(yùn)算放大器放大太陽(yáng)光垂直或者偏離照射到光電傳感器時(shí)所產(chǎn)生的偏差信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入 ARM芯片,判斷太陽(yáng)高度角的變化,實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的正、反脈沖控制其轉(zhuǎn)向。要實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的精確轉(zhuǎn)向,需要將偏差信號(hào)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換后與0比較。當(dāng)比值等于0時(shí),則ARM芯片不發(fā)出任何控制信號(hào),步進(jìn)電機(jī)保持不動(dòng),太陽(yáng)能光伏板保持角度方向不變;當(dāng)比值大于或者小于0時(shí),則ARM芯片需要進(jìn)一步的處理數(shù)據(jù)判斷是否是高度角和方向角出現(xiàn)偏差,最終是輸出高度角度驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)還是方向角驅(qū)動(dòng)控制信號(hào),驅(qū)動(dòng)芯片工作,精確調(diào)整步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),修復(fù)角度方向偏差,從而重新使太陽(yáng)光線與光伏板垂直,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)的任務(wù)。

2 硬件系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)

如圖1所示。

2.1 芯片選取

選用STC89C52RC單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制處理中心。

2.2 電源模塊

使用電源適配器并選用7805和1117M3等電源轉(zhuǎn)換芯片,將市電轉(zhuǎn)化成9V直流輸出,再將9V直流輸出轉(zhuǎn)換成5V和3.3V的電壓,為整個(gè)系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的工作電壓。

2.3 光能采集模塊

將四個(gè)3DU33光敏三極管分別固定在感光板的四個(gè)頂角呈十字架狀,并得到四個(gè)光電流。配合發(fā)光二極管,用于指示感光電路工作狀態(tài)。利用比較器和光敏電阻對(duì)光源進(jìn)行追蹤。

2.4 繼電器控制模塊

通過(guò)電磁繼電器運(yùn)用小電流控制大電流的開(kāi)關(guān)特性,對(duì)云臺(tái)進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)指向性轉(zhuǎn)動(dòng)。即通過(guò)單片機(jī)引腳輸出不同的電平信號(hào),通過(guò)三極管的導(dǎo)通特性控制電路的導(dǎo)通和截止,實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁繼電器的控制端電壓的調(diào)節(jié),從而使電磁繼電器在常開(kāi)和常閉循環(huán)之間接環(huán),輸出云臺(tái)的指向性轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào),實(shí)現(xiàn)控制云臺(tái)的沿各個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的目的。

2.5 驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的直線位或角位移、并適合微控制器控制的一種特殊電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)根據(jù)給定的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定位控制,并且在不改變它的通電狀態(tài)下也有制動(dòng)轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)子將固定在某一平衡位置上保持不動(dòng),這一特點(diǎn)在特性全天候太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)控制中是十分有利的。步進(jìn)電機(jī)可以根據(jù)太陽(yáng)位置的移動(dòng)所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)進(jìn)行控制轉(zhuǎn)動(dòng),隔一段時(shí)間轉(zhuǎn)一個(gè)角度后馬上停下來(lái)。綜合上面步進(jìn)電機(jī)的性能進(jìn)行分析,我們決定采用步進(jìn)電機(jī)。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)整體軟件程序流程圖如圖2所示。

自動(dòng)模式流程圖:如圖3所示。自動(dòng)模式下,單片機(jī)檢測(cè)采光板上下左右四個(gè)方向的光敏電阻所產(chǎn)生的光強(qiáng)度值,輸出信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī),使采光板正面移動(dòng)到與光強(qiáng)度值最大的一方垂直。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明,基于STC89C52RC單片機(jī)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)和硬件設(shè)計(jì),可通過(guò)對(duì)高度角和方位角的計(jì)算,實(shí)現(xiàn)了對(duì)陽(yáng)光的大范圍跟蹤,并且跟蹤精度達(dá)到較高的標(biāo)準(zhǔn)。并且解決了在各種天氣下,根據(jù)光敏電阻的特性,實(shí)現(xiàn)線上自動(dòng)的調(diào)節(jié)。隨著太陽(yáng)能利用的普及,太陽(yáng)能的產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入到人們的日常生活中。經(jīng)過(guò)本次的設(shè)計(jì),我們的設(shè)計(jì)與市場(chǎng)上的其他產(chǎn)品比較下,從材料上,結(jié)構(gòu)上、安裝運(yùn)行以及管理上,不管是硬件還是軟件的設(shè)計(jì),都進(jìn)行了改進(jìn),更為節(jié)省成本,運(yùn)行上更為簡(jiǎn)單可靠,在保證系統(tǒng)的穩(wěn)定的同時(shí),實(shí)現(xiàn)了高精度的太陽(yáng)能追蹤特性。

圖2 整體軟件流程圖

圖3 自動(dòng)模式流程圖

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