基于STM32的光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王男男，周 倫，丁虹民

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

基于STM32的光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王男男，周 倫，丁虹民

(西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川成都610031)

目前在光伏發(fā)電領(lǐng)域，大部分太陽電池板都是固定安裝的，為了提高電池板的發(fā)電量，設(shè)計(jì)了一套基于STM32的太陽電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)通過步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)雙軸機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了電池板對太陽的二維跟蹤。本系統(tǒng)以低功耗的STM32為核心處理器，在外圍設(shè)計(jì)了光電跟蹤傳感器，陰晴檢測以及GPS等模塊，采用混合跟蹤的控制方式提高了跟蹤精度。介紹了系統(tǒng)的原理與組成，設(shè)計(jì)了一套低功耗的間歇跟蹤算法。

STM32；光伏發(fā)電；自動(dòng)跟蹤；低功耗

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源危機(jī)和環(huán)境污染日益加重，為解決這些難題，很多國家都在致力于新能源的開發(fā)利用。在當(dāng)下的新能源開發(fā)中，太陽能具有輻射量大，覆蓋面廣，清潔無污染等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)運(yùn)而生的光伏發(fā)電技術(shù)近幾年來一直被世界各國廣泛關(guān)注和利用。但是由于太陽能存在密度低、不易收集等特點(diǎn)，使光伏發(fā)電的效率一直受到制約，因此，提高發(fā)電效率成為了當(dāng)前光伏發(fā)電技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]。

實(shí)踐證明設(shè)計(jì)一套光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽光線始終垂直照射光伏板，相比固定式的太陽電池板，可以有效提高電池板30%～40%的發(fā)電量[2]。目前的光伏跟蹤技術(shù)還存在成本高、功耗高的問題，本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)以低功耗的STM32微控制器為主控芯片，采用間歇跟蹤的控制算法每20分鐘跟蹤一次，系統(tǒng)在陰天時(shí)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣就在保證光伏跟蹤精度的前提下有效控制了系統(tǒng)成本和功耗。

1 太陽運(yùn)行方位計(jì)算

在地平坐標(biāo)系中，太陽的運(yùn)行方位主要由高度角和方位角兩個(gè)參數(shù)決定。定義一個(gè)向量由入射點(diǎn)O指向太陽，向量與地平面的夾角定義為太陽高度角H，向量在地平面上的投影與南北方向線的夾角定義為太陽方位角A，其具體定義如圖1所示。

太陽高度角的計(jì)算公式：

太陽方位角的計(jì)算公式：

式中：φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥?；θ為太陽赤緯角，?jì)算公式為θ= 23.45°×sin[360×(284+n)/365]，其中n為一年當(dāng)中的第幾天；ω為太陽時(shí)角，計(jì)算公式為ω=15°×(12－t)，其中t為一天當(dāng)中的時(shí)刻，取值范圍為0～24 h。

由以上推理可知，只需知道當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥群途唧w時(shí)間，可由式(1)～式(2)計(jì)算出任意時(shí)刻和任意地點(diǎn)的太陽方位[3]。

圖1 太陽運(yùn)行方位定義圖

2 光伏跟蹤原理分析

目前常用的光伏跟蹤方案主要有兩種：一種是光電跟蹤，一種是視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤屬于開環(huán)控制方式，通過所在地地理緯度和具體時(shí)間就可以計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻本地的太陽方位，單片機(jī)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻的太陽方位，在不同時(shí)刻驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作，調(diào)整電池板跟蹤太陽，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不容易受到外部雜散光源的干擾，同時(shí)不會(huì)受到天氣變化的影響，但是由于是開環(huán)控制，所以對于自身的系統(tǒng)誤差沒有修正能力，長期跟蹤容易造成誤差累積，降低跟蹤精度。光電跟蹤是通過光敏電阻、光敏二極管等光敏傳感器感知太陽方位的變化，單片機(jī)系統(tǒng)根據(jù)光敏器件檢測到的光信號(hào)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，這種跟蹤方法本身屬于閉環(huán)控制方式，具有較高的靈敏度和誤差修復(fù)能力，但是系統(tǒng)容易受到外部干擾，外界雜散光源可能會(huì)造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作，同時(shí)由于跟蹤范圍狹窄，容易丟失跟蹤目標(biāo)。

光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤各自都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一套融合兩種控制策略的跟蹤系統(tǒng)。根據(jù)不同的天氣情況，采取不同的跟蹤策略，在天氣晴朗時(shí)，先采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤進(jìn)行粗跟蹤，然后采用光電跟蹤精確定位，在多云條件下，只采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。這種混合跟蹤方法提高了跟蹤精度，同時(shí)不易受到外界影響，保證了系統(tǒng)精度和穩(wěn)定性[4]。

3 光伏跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

光伏跟蹤系統(tǒng)的主要模塊有：光電跟蹤傳感器模塊，負(fù)責(zé)采集光信號(hào)，根據(jù)太陽方位的變化發(fā)送控制指令到MCU；GPS模塊，用來計(jì)算當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度信息，把經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)發(fā)送到MCU；光強(qiáng)檢測模塊，用來檢測天氣情況的變化，MCU會(huì)根據(jù)不同的天氣狀況采取不同的控制策略；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，用來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，帶動(dòng)雙軸機(jī)構(gòu)跟蹤；MCU模塊，采用STM32微控制器為主控芯片，處理來自不同模塊的信息。系統(tǒng)的組成如圖2所示。

圖2 光伏跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 光電跟蹤傳感器的設(shè)計(jì)

采用四象限光電傳感器作為光電跟蹤裝置，這種傳感器的原理如圖3所示，太陽光線經(jīng)光學(xué)元件成像于四象限光敏面時(shí)，形成一個(gè)圓形光斑，光斑在光敏面被四個(gè)象限分成A、B、C、D四個(gè)部分，光斑面積分別為S1、S2、S3、S4，四個(gè)部分產(chǎn)生的光電流分別為i1、i2、i3、i4，光斑中心相對于光敏面中心X和Y方向的偏移分別為ΔX和ΔY。假如四個(gè)象限產(chǎn)生的電信號(hào)分別為 U1、U2、U3、U4，設(shè)偏差信號(hào) UX=U1+U2－(U3+U4)；UY=U1+U4－(U2+U3)，實(shí)驗(yàn)證明光斑中心在X軸和Y軸方向的偏移量與UX、UY成正比[5]。

太陽直射電池板時(shí)，光斑中心與四象限傳感器中心重合，太陽方位變化，光斑中心發(fā)生偏移，只要控制電池板轉(zhuǎn)動(dòng)使光斑中心偏移量ΔX和ΔY趨近于零，就可以達(dá)到光伏跟蹤的目的。四象限光電傳感器的輸出信號(hào)是微弱的光電流，需要通過一個(gè)轉(zhuǎn)換電路把光電流轉(zhuǎn)換成STM32可以處理的電壓信號(hào)。電流電壓轉(zhuǎn)換電路如圖4所示。

圖3 光電跟蹤傳感器原理

圖4 電流電壓轉(zhuǎn)換電路

四個(gè)象限的光電流經(jīng)過此電路就可以轉(zhuǎn)換成為單片機(jī)可以處理的0～5 V電壓信號(hào)，電路的輸出電壓與輸入電流的關(guān)系為：

3.2 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS模塊的主要作用是獲取當(dāng)?shù)氐牡乩硇畔⒑蜁r(shí)間信息，為視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤提供參數(shù)依據(jù)。考慮到節(jié)省成本與降低功耗的因素，本系統(tǒng)采用U-blox公司生產(chǎn)的MAX-7獨(dú)立定位模塊。GPS定位模塊的輸出格式通常遵循NMEA 0138通訊協(xié)議，根據(jù)此協(xié)議的相關(guān)規(guī)范，GPS模塊將地理位置信息和時(shí)間信息通過串口傳送給STM32微控制器，本系統(tǒng)使用了GPRMC命令獲取GPS的推薦最小數(shù)據(jù)量[6]。在GPRMC命令下，提取字段<1>、<2>、<3>、<5>、<9>用于計(jì)算太陽方位，這些字段的含義為：<1>表示UTC時(shí)間，時(shí)-分-秒(hhmmss)格式；<2>表示定位狀態(tài)，A表示有效定位，V表示無效定位；<3>表示地理緯度，度-分(ddmm.mmmm)格式；<5>表示地理經(jīng)度，度-分(ddmm.mmmm)格式；<9>表示UTC日期，日-月-年(ddmmyy)格式。

3.3 MCU模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用STM32微控制器作為MCU控制平臺(tái)，是由意法半導(dǎo)體 (ST Microelectronics)公司推出的第一款基于ARM Cotex-M3內(nèi)核的微控制器。系統(tǒng)MCU采用中等容量增強(qiáng)型的STM32F103RBT6芯片，具有128 kB的閃存和20 kB的SRAM，最高工作頻率可達(dá)72 MHz。這款STM32微控制器的功能強(qiáng)大，具有較高的精密和可靠性。它具備的兩個(gè)多通道的12位ADC轉(zhuǎn)換器可以接收來自四象限傳感器的4路模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換時(shí)間最短只有12.5個(gè)時(shí)鐘周期。STM32F103RBT6具備一個(gè)用于電機(jī)控制的16位PWM高級(jí)控制計(jì)數(shù)器，可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)控制和緊急剎車，提高了步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)精度。STM32具有3種低功耗模式，分別為睡眠模式、停機(jī)模式和待機(jī)模式。在停機(jī)模式時(shí)，RTC不會(huì)停止，RTC鬧鐘或者任一外部中斷信號(hào)可以將其喚醒，本系統(tǒng)在不跟蹤太陽時(shí)，STM32就會(huì)進(jìn)入停機(jī)模式，這種設(shè)計(jì)可以有效降低系統(tǒng)功耗。

4 光伏跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制流程如圖5所示，首先需要進(jìn)行的是系統(tǒng)初始化，包括開啟STM32系統(tǒng)時(shí)鐘，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，設(shè)置串口和GPIO端口等操作。通過GPS模塊獲取當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度參數(shù)和實(shí)時(shí)時(shí)間，同時(shí)GPS可以獲取當(dāng)天的日出和日落時(shí)間，STM32由這些參數(shù)判斷太陽是否升起。如果沒有達(dá)到太陽升起時(shí)間，則系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，太陽升起時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)喚醒并進(jìn)入工作狀態(tài)。在工作狀態(tài)陰晴檢測模塊首先判斷天氣狀況，根據(jù)光敏元件檢測到的光照強(qiáng)度劃分為三種天氣狀況，在晴天時(shí)采用混合跟蹤方式，即根據(jù)太陽運(yùn)行軌跡進(jìn)行粗跟蹤，然后進(jìn)行光電跟蹤消除跟蹤誤差；在多云天氣狀況下，只進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；在陰天時(shí)則不跟蹤以減少不必要的功率消耗。系統(tǒng)采用間歇跟蹤方式，在每次跟蹤完成后，系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)入延時(shí)狀態(tài)，每20分鐘跟蹤一次。當(dāng)時(shí)間到達(dá)當(dāng)天的日落時(shí)刻，雙軸機(jī)構(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)到初始位置，系統(tǒng)進(jìn)入到下一次循環(huán)。

5 結(jié)語

圖5 系統(tǒng)的控制流程圖

本文設(shè)計(jì)了一套基于STM32控制器的光伏電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)采用四象限光電傳感器獲取太陽方位變化的有效信號(hào)，同時(shí)采用GPS獲取所在地的地理信息以實(shí)時(shí)計(jì)算太陽方位。本系統(tǒng)融合了光電跟蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種跟蹤方法，采用間歇跟蹤的控制算法。實(shí)踐證明本系統(tǒng)不但具有較高的跟蹤精度，同時(shí)有效降低了系統(tǒng)功耗。本文研究的光伏跟蹤系統(tǒng)可以有效提高光伏電池的發(fā)電量，為提高光伏電池的發(fā)電效率提供了一種新方法。

[1]SHI Y B,GE C Z,WANG M M,et al.Design of an intelligent solar energy tracking system based on maximum power point tracking with light search perceptive technology[J].Power System Technology,2014,38(1):87-92.

[2]劉陽，匡博，張?bào)w勇.ARM7處理器太陽能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)[J].電源技術(shù)，2014，38(1)：87-89.

[3]張鵬飛.光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009：23-26.

[4]范學(xué)超.自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2014，38(10)：1889-1978.

[5]FENG Q,GENG A H.Design of data acquisition system of fourquadrant photodetector based on LabVIEW[J].Computer Measurement&Control,2013,21(5):1397-1403.

[6]李燁.基于GPS和新型光電傳感器的太陽自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2012：12-14.

Design of PV automatic tracking system based on STM32

WANG Nan-nan,ZHOU Lun,DING Hong-min
(School of Mechanical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu Sichuan 610031,China)

Currently in the field of photovoltaic power generation,most solar panels were fixedly installed.A set of automatic tracking system of solar panel based on STM32 was designed to improve the power generation of solar panel. The two-dimensional tracking of the solar panel was realized as the system drives the biaxial mechanism through the stepping motor.The low-power STM32 was taken as the core processor,several modules including photoelectric tracking sensor weather detection and GPS were designed in the peripheral,and the tracking accuracy was improved by the hybrid tracking control method. The principle and composition of the system were mainly introduced,and a set of low power intermittent tracking algorithm was designed.

STM32;photovoltaic power generation;automatic tracking;low power consumption

TM 615

A

1002-087 X(2017)02-0247-03

2016-07-06

王男男(1988—)，男，山東省人，碩士生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。