基于ARM太陽能光伏板自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

朱 宇，袁志遠

（西安科技大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054）

隨著社會的發(fā)展，社會對新能源的需求越來越太，而太陽能以儲量豐富、普遍存在、環(huán)保無污染占據(jù)相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢，所以對太陽能的開發(fā)利用具有重大意義。然而常規(guī)的太陽能發(fā)電的方式是將太陽能電池板固定在某一位置，對太陽能進行采集，平均光伏轉(zhuǎn)換效率較低，并且一臺嵌入式系統(tǒng)只控制一塊太陽能光伏板，極大的浪費了資源。本設(shè)計采用ARM11作為控制系統(tǒng)，控制多個太陽能光伏板，通過對光敏電阻的采集和比較，控制電機調(diào)整太陽能板的位置。實現(xiàn)太陽能光伏板自動跟蹤太陽的功能，使太陽能光伏板能自動對著太陽，從而提高光伏發(fā)電系統(tǒng)光伏轉(zhuǎn)換的效率。同時為了減少電機對電能的消耗，本系統(tǒng)兼顧了電機間歇工作方式，每個太陽能光伏板每25分鐘調(diào)整一次與太陽的左右對應(yīng)，每二周調(diào)整一次與太陽的上下對應(yīng)。

1 基于ARM太陽能光伏板自動跟蹤系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

如圖1所示是基于ARM11的嵌入式光伏板自動跟蹤系統(tǒng)的整體框圖，該系統(tǒng)設(shè)計成雙軸自動跟蹤，自動跟蹤太陽的強度，使太陽光垂直入射在太陽能光伏板的表面以獲取最大發(fā)電效率，本系統(tǒng)主要由葵花太陽能光伏板、光敏電阻、放大器、光電二極管、電機[1]、電機驅(qū)動芯片、減速器、立體支架和ARM11組成。系統(tǒng)通過比較光敏電阻的大小，由ARM11發(fā)出命令給電機驅(qū)動器，驅(qū)動電機向阻值大的一端自動旋轉(zhuǎn)。第一步比較左右2個光敏電阻的阻值，通過調(diào)整直到2個光敏電阻的阻值相等時，停止左右旋轉(zhuǎn)；第二步比較水平上方的電阻的阻值與左右方向的其中一個電阻的阻值，通過調(diào)整直到兩個光敏電阻的阻值相等時，停止上下旋轉(zhuǎn)；從而使多個葵花太陽能光伏板與太陽光保持最佳角度 （第二步2周運行一次）。

2 太陽能光伏板自動跟蹤器的組成及工作原理

太陽能光伏板自動跟蹤器[2-3]由ARM11，電機驅(qū)動芯片和相關(guān)電路組成。ARM11系統(tǒng)主要組成部分如圖2所示。它主要是通過接收光敏電阻值，比較左右2個光敏電阻大小，得到兩阻值之差，經(jīng)過系統(tǒng)的簡單處理，由系統(tǒng)發(fā)出命令給對應(yīng)的電機驅(qū)動器，電機帶動光伏板旋轉(zhuǎn)到左右兩個光敏電阻的阻值相等的位置，然后再比較水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個光敏電阻阻值的大小，得到兩阻值之差，經(jīng)過系統(tǒng)的簡單處理，由系統(tǒng)發(fā)出命令給對應(yīng)的電機驅(qū)動器，電機帶動光伏板旋轉(zhuǎn)到水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個光敏電阻的阻值相等的位置，電機停止旋轉(zhuǎn)。從而實現(xiàn)光伏板自動跟蹤太陽的功能。

圖1 基于ARM11的嵌入式光伏板自動跟蹤系統(tǒng)的整體框圖Fig.1 Based on the ARM11 embedded photovoltaic panels automatic tracking system overall block diagram

圖2 ARM核心版模塊圖Fig.2 ARM core module diagram

3 太陽能光伏板支架控制器的組成及工作原理

圖3 太陽能光伏板支架控制器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Solar panel bracket structure diagram of the controller

如圖3所示是太陽能光伏板支架控制器結(jié)構(gòu)圖，支架控制器由光敏電阻傳感器、放大器，光電二極管，電機組成。每個太陽能光伏板需要3光敏電阻傳感器。左右2個光敏電阻傳感器為一組，上方的光敏電阻傳感器與左右2個光敏電阻傳感器中的其中一個為一組。每隔25分鐘系統(tǒng)就會比較左右2個光敏電阻傳感器的阻值，經(jīng)過系統(tǒng)簡單的處理，把命令發(fā)給對應(yīng)的光敏電阻傳感器對應(yīng)的電機驅(qū)動器，驅(qū)動對應(yīng)的電機旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右2個光敏電阻傳感器的阻值相等時，停止旋轉(zhuǎn)，并休息25分鐘；每隔2周系統(tǒng)就會首先比較左右兩個光敏電阻大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)把命令發(fā)給光敏電阻傳感器對應(yīng)的電機驅(qū)動器，驅(qū)動對應(yīng)的電機旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右2個光敏電阻傳感器的阻值相等時，停止左右旋轉(zhuǎn)；接著比較水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個光敏電阻的阻值的大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)發(fā)出命令給對應(yīng)的電機驅(qū)動程序，直到調(diào)整到兩個阻值的大小相等時，控制上下方向的電機停止旋轉(zhuǎn)，并休息2周；實現(xiàn)太陽能光伏板自動跟蹤[4-5]太陽。

4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

如圖4所示是電機驅(qū)動模塊設(shè)計圖，為了提高太陽能光伏板自動跟蹤系統(tǒng)的靈敏性，充分發(fā)揮ARM11的性能[6]，更好的展現(xiàn)一機多能的優(yōu)點，本設(shè)計在電機驅(qū)動器里嵌入了芯片，使單個太陽能光伏板成為一個獨立的靈活的個體，同時又都在同一個ARM11系統(tǒng)的控制下。每個電機驅(qū)動芯片不但能完成驅(qū)動電機實現(xiàn)光伏板跟蹤太陽的能力，同時還能隨時向ARM11系統(tǒng)傳輸實時數(shù)據(jù)，也能從ARM11系統(tǒng)那里接受命令和執(zhí)行命令。每個電機驅(qū)動器通過RS-232與ARM11相連接，電機驅(qū)動器采用直流供電。

圖4 電機驅(qū)動模塊設(shè)計圖Fig.4 Motor drive module design

5 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn)

如圖5所示是系統(tǒng)控制流程，本系統(tǒng)軟件是采用VC++開發(fā)出來的圖像界面，界面友好，操作簡單，支持觸摸操作。開機之后，系統(tǒng)開始自動檢測，識別各個電機驅(qū)動器及相應(yīng)的芯片，一旦發(fā)現(xiàn)沒有識別到的電機驅(qū)動器會自動報警，并在報警窗口提示沒有識別的電機驅(qū)動器的編號；檢測各個驅(qū)動器工作狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)工作不正常的驅(qū)動器會自動報警，并在報警窗口提示它的編號；系統(tǒng)識別和檢測結(jié)束，各個驅(qū)動器開始工作，首先獲取左右方向組的光敏電阻的阻值，進行比較，得到大小，系統(tǒng)發(fā)出命令給電機驅(qū)動器，電機旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右阻值相等時電機開始停止工作，并休息25分鐘；每隔2周系統(tǒng)就會首先比較左右2個光敏電阻大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)把命令發(fā)給光敏電阻傳感器對應(yīng)的電機驅(qū)動器，驅(qū)動對應(yīng)的電機旋轉(zhuǎn)，當(dāng)左右2個光敏電阻傳感器的阻值相等時，停止左右旋轉(zhuǎn)；接著比較水平上方的電阻阻值與左右方向的其中一個光敏電阻的阻值的大小，根據(jù)比較的結(jié)果，由控制系統(tǒng)發(fā)出命令給對應(yīng)的電機驅(qū)動程序，直到調(diào)整到兩個阻值的大小相等時，控制上下方向的電機停止旋轉(zhuǎn)，并休息2周；從而實現(xiàn)太陽能光伏板自動跟蹤太陽。

圖5 系統(tǒng)控制流程Fig.5 System control flow

6 結(jié) 論

本研究基于ARM11，采用光敏電阻比較法，并結(jié)合了3只眼昆蟲識別方向的特點，設(shè)計了一機多能自動跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板自動保持與太陽光垂直。太陽能電池板自動跟蹤太陽光的研究，有效地提高了太陽能的利用率，增加了每天的發(fā)電功率輸出，并從整體上降低了太陽能光伏板聯(lián)合發(fā)電的成本，不但具有很高的經(jīng)濟效益，而且非常適合社會和經(jīng)濟發(fā)展的要求，應(yīng)用前景廣闊。

[1]朱衛(wèi)紅，邢旭輝，王振華，等.異步電動機交-直-交變頻矢量控制的應(yīng)用和日常維護 [C]//全國冶金自動化信息網(wǎng)2010年年會論文集，2010:755-758.