基于Arduino的太陽能電池板最大光功率跟蹤系統(tǒng)

馬 列，劉 陽，董志鵬，孟琦煜，伏際超

（沈陽工程學(xué)院電力學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

隨著化石能源的日漸枯竭，及其對環(huán)境造成的不可逆的日漸嚴(yán)重的影響，國家越來越重視清潔能源在社會(huì)生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，以擺脫對煤炭等化石能源的嚴(yán)重依賴。清潔能源中的可再生能源包括風(fēng)能、水能、太陽能、生物質(zhì)能等等。其中，太陽能可開發(fā)利用的資源巨大，環(huán)境污染比較小，可持續(xù)利用，近年來得到了飛速的發(fā)展。太陽能光伏的大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電，緩解了我國的能源短缺狀況，減少溫室氣體的排放，對我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。

然而工程統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，太陽能光伏板的轉(zhuǎn)換效率最高在25%左右[1]。在實(shí)際工程應(yīng)用上太陽能光伏板基本都采用固定式的安裝方式，太陽能光伏板的角度不能調(diào)節(jié)，這導(dǎo)致了太陽能的利用率進(jìn)一步下降。因此，如何大幅度提高太陽能的利用率是一個(gè)亟待解決的問題。

傳統(tǒng)的最大功率跟蹤控制方法多根據(jù)太陽能電池特性，使外部電路負(fù)載電阻與太陽能電池內(nèi)阻相等以使輸出功率達(dá)到最大。常用的跟蹤控制方法有恒電壓控制法、擾動(dòng)觀察法、電導(dǎo)增量法、模糊邏輯控制法、脈寬調(diào)制法等。但由于以上幾種方法受環(huán)境溫度影響比較大、檢測比較困難、需要高精度的傳感器、成本很高等原因未被大規(guī)模應(yīng)用[2]。

1 入射角度分析

目前，絕大多數(shù)的太陽能電池板采用的都是固定的安裝方式，電池板的高度角和方位角都不能調(diào)整，這也導(dǎo)致了電轉(zhuǎn)換效率大打折扣。

圖1所示是太陽射線入射角度θ和對應(yīng)的透射光能率λ的關(guān)系。太陽能硅片的厚度只有200 μm左右，本身的質(zhì)地很脆弱，機(jī)械強(qiáng)度很低。同時(shí)，太陽能電池片在戶外工作，刮風(fēng)、下雨、沙塵暴、冰雹等自然天氣都會(huì)損壞電池片，所以在電池片的上面一般采用鋼化玻璃來進(jìn)行封裝。由于空氣與玻璃的折射率不同，光波將在兩種介質(zhì)的界面上產(chǎn)生反射和折射（透射），折射能量與太陽光入射界面的角度相關(guān)，根據(jù)幾何光學(xué)的原理分析，可以得到如圖1中的曲線。

圖1 太陽射線入射角度和光能率的關(guān)系

從圖1可以看出，折射能量隨太陽入射角的加大而減小，將某一時(shí)刻入射角為0°時(shí)入射的太陽光強(qiáng)度視為一個(gè)單位值，得到的是這一時(shí)刻的光能透射率。當(dāng)太陽射線入射角度θ=0°時(shí)，對應(yīng)的光能投射率λ最大；當(dāng)太陽射線入射角度θ=90°時(shí)，對應(yīng)的光能投射率λ最小[3]。當(dāng)太陽射線與太陽能電池板的入射角保持0°時(shí)，太陽能轉(zhuǎn)換效率得到了極大的提高。因此，保持太陽能電池板同太陽射線入射角度為90°，也就是讓太陽能電池板與太陽射線時(shí)刻垂直，這將極大地提高光電轉(zhuǎn)換效率，提高光伏發(fā)電的效率[4-5]。這是軟硬件設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。

2 最大光功率跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)由Arduino單片機(jī)、光線強(qiáng)度檢測電路、上位機(jī)、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光伏電池板、位置反饋模塊、串口通信模塊組成。其中Arduino單片機(jī)是系統(tǒng)的核心。

圖2 系統(tǒng)硬件組成結(jié)構(gòu)

2.1 Arduino單片機(jī)

太陽能電池板最大光功率跟蹤系統(tǒng)的硬件基礎(chǔ)是Arduino單片機(jī)。Arduino是一個(gè)具有良好的開放性和擴(kuò)展性的開源電子平臺(tái)，用戶在它的官網(wǎng)上可以隨時(shí)免費(fèi)下載內(nèi)部電路圖、源碼和軟件開發(fā)環(huán)境等。因?yàn)樗挠布情_源的，其他人可以利用已有的設(shè)計(jì)，進(jìn)行學(xué)習(xí)、修改、發(fā)布、制作和銷售，這對于打破壟斷、節(jié)約社會(huì)和環(huán)境資源是很有利的。

該系統(tǒng)具體使用的是UNO版本的Arduino單片機(jī)，如圖3所示。Arduino UNO的處理器核心是ATmega328主控單片機(jī)，有14路數(shù)字輸入/輸出口，其中6路可以作為PWM輸出，6路是模擬輸入，1個(gè)16 MHz晶振電路，1個(gè)ICSP leader串行編程端，以及USB接口、復(fù)位按鈕等，為擴(kuò)展豐富的信號(hào)采集回路、控制回路提供了便利。

圖3 Arduino UNO單片機(jī)

2.2 光線強(qiáng)度檢測電路

光線強(qiáng)度檢測電路利用光敏電阻感知光線的強(qiáng)弱，并轉(zhuǎn)化為Arduino單片機(jī)可以處理的信號(hào)。該系統(tǒng)采用DFR0026環(huán)境光線傳感器，檢測環(huán)境光線的強(qiáng)度，安裝在太陽能電池板水平軸和垂直軸的兩端。

2.3 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

舵機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是系統(tǒng)的動(dòng)作執(zhí)行模塊。系統(tǒng)選用2個(gè)DF15MG舵機(jī)，用于接受Arduino單片機(jī)發(fā)出的指令，按照接受的指令驅(qū)動(dòng)太陽能電池板做出相應(yīng)的動(dòng)作。這兩個(gè)舵機(jī)和其他機(jī)械部件，如支架、底座、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等，一起構(gòu)成了系統(tǒng)的機(jī)械部分。其中一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電池板在水平方向上自西向東或者是自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)；另外一個(gè)舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電池板和水平面的角度在0°到90°之間變化，這是使太陽能電池板始終朝向太陽的動(dòng)力來源。考慮到系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)的情況，系統(tǒng)安裝了使太陽能電池板恢復(fù)到正南方向的故障恢復(fù)電路。

2.4 位置反饋模塊

太陽能電池板在舵機(jī)的作用下轉(zhuǎn)過一定的角度后，通過舵機(jī)自身的位置檢測電路，將最終的位置信號(hào)反饋給Arduino單片機(jī)。將該位置和理論位置進(jìn)行對比，如偏差超過一定的限值，則需要進(jìn)一步的修正。

2.5 上位機(jī)

上位機(jī)是一臺(tái)將太陽能電池板的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)通過串口通信模塊，以圖形的方式在顯示器上顯示出來的工業(yè)計(jì)算機(jī)。在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)不正常，或是故障時(shí)能發(fā)出聲響告警、屏幕告警閃爍，并且能夠按照監(jiān)控人員的指令，將指令轉(zhuǎn)碼后向下發(fā)送給Arduino單片機(jī)，使Arduino單片機(jī)按照監(jiān)控人員的指令對太陽能電池板的角度等運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行修正，或是在系統(tǒng)故障后進(jìn)行復(fù)位重啟、初始化等工作。

2.6 串口通信模塊

串口通信模塊是連接上位機(jī)和Arduino單片機(jī)的紐帶。該系統(tǒng)采用RS485通信方式，Arduino單片機(jī)處理的設(shè)備狀態(tài)信息通過RS485通信接口實(shí)時(shí)的上送至上位機(jī)，并以圖形數(shù)字的方式，在上位機(jī)顯示屏上顯示出來。上位機(jī)發(fā)出的重啟復(fù)位等指令也通過RS485通信接口反饋給Arduino單片機(jī)。設(shè)置RS485通信接口波特率為9 600 kps，數(shù)據(jù)位為8位，停止位為1位，偶校驗(yàn)。

3 最大光功率跟蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)系統(tǒng)

設(shè)計(jì)了一種太陽能光伏板角度控制下位機(jī)系統(tǒng)，系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 下位機(jī)系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)選用Arduino單片機(jī)作為控制器，舵機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，安裝在太陽能板水平軸和垂直軸上的4個(gè)DFR0026環(huán)境光線傳感器將光強(qiáng)信號(hào)反饋給Arduino單片機(jī)。Arduino單片機(jī)按照圖5的算法分別對水平軸和垂直軸的光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理，處理后分別驅(qū)動(dòng)水平軸舵機(jī)和垂直軸舵機(jī)動(dòng)作，將太陽能電池板轉(zhuǎn)向朝向太陽的方向。

圖5 電池板旋轉(zhuǎn)角度算法

該算法首先將處于同一軸的兩個(gè)傳感器得到的光強(qiáng)值相減，得到余數(shù)，設(shè)定這個(gè)余數(shù)為變量angle。如果變量angle的數(shù)值在[-20，20]，則程序重新計(jì)算“傳感器1-傳感器2”的數(shù)值；如果angle＞20，則舵機(jī)-2度旋轉(zhuǎn)；如果angle＜-20，則舵機(jī)+2度旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)之后，太陽能電池板的位置發(fā)生了變化，對應(yīng)的DFR0026環(huán)境光線傳感器的數(shù)值也發(fā)生了改變，程序重新計(jì)算“傳感器1-傳感器2”的數(shù)值，并重新判斷變量angle是否在[-20，20]。整體的算法流程如圖6所示。

圖6 算法流程

考慮到暴風(fēng)和冰雹等惡劣自然天氣，程序中加入了手動(dòng)控制環(huán)節(jié)。例如，當(dāng)出現(xiàn)暴風(fēng)天氣時(shí)，可通過上位機(jī)向Arduino單片機(jī)發(fā)出使太陽能電池板水平放置的命令，以減小電池板的風(fēng)阻；當(dāng)出現(xiàn)冰雹天氣時(shí)，可通過上位機(jī)向Arduino單片機(jī)發(fā)出使太陽能電池板垂直放置的命令，降低冰晶顆粒撞擊電池板所帶來的損傷[6-7]。

3.2 上位機(jī)系統(tǒng)

系統(tǒng)中的上位機(jī)通過RS485通信線和Arduino單片機(jī)進(jìn)行組網(wǎng)連接，Arduino單片機(jī)上送系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)給上位機(jī)。上位機(jī)對全系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視，出現(xiàn)暴風(fēng)和冰雹等惡劣自然天氣，或者系統(tǒng)故障時(shí)可以手動(dòng)控制系統(tǒng)，或者使系統(tǒng)復(fù)位。上位機(jī)使用的是MCGS組態(tài)軟件，圖7是上位機(jī)的主畫面。

圖7 上位機(jī)主畫面

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將裝配好的裝置放置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用手電筒模擬光源。根據(jù)圖5中的電池板旋轉(zhuǎn)角度算法，水平軸方向和垂直軸方向的環(huán)境光線傳感器兩兩求差，由Arduino單片機(jī)驅(qū)動(dòng)著舵機(jī)向相應(yīng)的方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)手電筒位于裝置前方不同位置時(shí)，電池板所在平面和手電筒入射光源角度近似垂直，如圖8所示。當(dāng)移動(dòng)手電筒時(shí)，電池板跟隨著手電筒旋轉(zhuǎn)。

圖8 電池板和入射光線角度變化

再將裝置放置在樓頂開闊處。根據(jù)地理知識(shí)，太陽在天空中的位置變化速度為15°/h，即3°/12 min。因而從降低裝置功耗的角度出發(fā)，設(shè)置圖6中的程序每12 min檢測一次。這樣在保證電池板發(fā)電效率滿足要求的條件下，裝置自身的電能消耗最低。戶外實(shí)驗(yàn)同樣證明了裝置的可行性。

5結(jié) 語

太陽能光伏發(fā)電是一種對清潔能源的利用方式，努力提高光伏發(fā)電量和光伏發(fā)電效率，對于減少溫室氣體排放和破解能源危機(jī)具有重要意義。利用低功耗的Arduino單片機(jī)，構(gòu)建了采用光線傳感器、舵機(jī)、上位機(jī)等元器件的太陽能電池板最大光功率跟蹤系統(tǒng)，極大地提高了太陽能光伏發(fā)電的效率。后續(xù)將進(jìn)一步修改上位機(jī)、優(yōu)化極端天氣的處理方式和進(jìn)一步集成系統(tǒng)的硬件電路，將會(huì)使整套系統(tǒng)趨于完善。