基于MPPT光伏LED路燈照明自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

張曉春

（銅陵職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，安徽 銅陵 244061）

能源和環(huán)保越來越受到人們的重視。礦物燃料都是不可再生的燃料，且與人類的生存發(fā)展都有密切的關(guān)系，隨著人們大量地使用礦物能源導(dǎo)致了這些不可再生的能源量急劇減少，從而產(chǎn)生了能源危機(jī)。外界條件，如光照強(qiáng)度、溫度等，會使光伏電池產(chǎn)生不同的輸出功率，但每種條件下的每一時刻均存在著功率輸出的最大值，現(xiàn)實應(yīng)用可通過調(diào)整DC/DC變換電路的PWM占空比即可實現(xiàn)光伏陣列最大功率點(diǎn)的跟蹤，這就是MPPT的工作原理。太陽跟蹤系統(tǒng)有多種，如極軸跟蹤、水平跟蹤和與光電相結(jié)合的視日跟蹤、赤道跟蹤等。

1 MPPT算法分析

1.1 恒定電壓法（CVT）

CVT通過擬合來實現(xiàn)最大功率點(diǎn)的跟蹤。當(dāng)環(huán)境溫度確定不變時，盡管光照強(qiáng)度隨時間的變化而有不同，但光伏電池的最大功率點(diǎn)卻大約分布于對應(yīng)電壓所在垂直線的兩側(cè)，所以可將不同光強(qiáng)下的最大功率分布情況看作是以電壓為常數(shù)的垂線。由此可知CVT方法忽視了環(huán)境溫度變化的影響。

1.2 電導(dǎo)增量法

電導(dǎo)增量法利用電導(dǎo)變化量以及瞬時電導(dǎo)的對比來確定參考電壓的變化方向，在最大功率處有：

式中：P為功率（W）；U為電壓（V）；I為電流（A）。

電導(dǎo)增量法通過比較dI/dU和I/U的大小來判斷參考電壓的變化方向，可通過設(shè)置一定的閾值使兩者的差別不超過閾值時不改變參考電壓的狀態(tài)，以免造成不必要的能力損耗。

1.3 模糊控制法

光伏電池本身進(jìn)行非線性的工作過程，所以很難用一個確定的數(shù)學(xué)模型對工作過程進(jìn)行描述，通常采用模糊控制來解決復(fù)雜的、非線性的問題。

雖然模糊控制跟蹤迅速精確，且能夠在基本無波動的情況下達(dá)到最大功率點(diǎn)，但模糊控制的控制規(guī)則較難確定，需要設(shè)計人員有較多的實踐經(jīng)驗。

2 自動跟蹤系統(tǒng)

跟蹤系統(tǒng)的分類有很多種。常用的跟蹤系統(tǒng)有單軸跟蹤、雙軸跟蹤、視日跟蹤、時控跟蹤等。

（1）單軸跟蹤。單軸跟蹤是指電池板繞一個轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的跟蹤方式。通過調(diào)整電池板面向太陽，不偏移太陽正方向，可獲得更多光照。旋轉(zhuǎn)軸一般按東西方向水平放置，因為太陽在東西方向的運(yùn)動范圍最大。

（2）雙軸跟蹤。雙軸跟蹤是指電池板有兩個旋轉(zhuǎn)軸，具有兩個自由度。采用雙軸跟蹤系統(tǒng)可以使電池板作橢圓形的弧線旋轉(zhuǎn)，其跟蹤精度很高。雙軸跟蹤又可以細(xì)分為極軸垣水平軸、極軸垣赤緯軸、天軸垣赤緯軸等。

（3）時控與視日跟蹤。時控跟蹤可快速確定太陽的方位，但跟蹤精度較低。視日跟蹤的跟蹤精度較高，但用于跟蹤的裝置較多，成本較高，視日跟蹤在計算精度不夠時，其控制效果并不理想。

（4）視日與光電跟蹤結(jié)合。視日與光電跟蹤相結(jié)合的方式是在光照充足時采用光電跟蹤，在光照不足時采用視日跟蹤。這兩種跟蹤發(fā)法的接合可彌補(bǔ)兩者的缺點(diǎn)，最大限度地跟蹤太陽，精度也很高。在選擇跟蹤方案時應(yīng)首先考慮采用雙軸跟蹤實現(xiàn)全天全方位地跟蹤太陽，采用視日跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合實現(xiàn)最大限度地采集太陽光能源。

3 自動跟蹤裝置系統(tǒng)設(shè)計

（1）自動跟蹤裝置的機(jī)構(gòu)設(shè)計。自動跟蹤裝置的機(jī)械部分主要包括步進(jìn)電機(jī)、齒輪傳動組件、渦輪蝸桿和機(jī)架組成，如圖1所示。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動小齒輪轉(zhuǎn)動，小齒輪帶動大齒輪轉(zhuǎn)動，使電池板能夠全方位地跟蹤太陽。

圖 1 雙軸跟蹤機(jī)械結(jié)構(gòu)

電機(jī)驅(qū)動蝸桿1轉(zhuǎn)動，電池板與齒輪1固定連接，可以實現(xiàn)垂直方向的轉(zhuǎn)動。齒輪2與支架固定連接，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動蝸桿2轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)水平方向的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)最大限度地跟蹤太陽。蝸輪蝸桿傳動的傳動比很大、降速快、具有自鎖功能，使功率較小的電機(jī)產(chǎn)生比較大的動力。該跟蹤機(jī)構(gòu)相對比較簡單，使用小功率的步進(jìn)電機(jī)就帶動重量較大的電池板，并通過蝸桿渦輪蝸桿裝置實現(xiàn)自鎖。

（2）自動跟蹤裝置的控制系統(tǒng)設(shè)計。自動跟蹤裝置的控制系統(tǒng)部分包括：單片機(jī)微控制器、電源和復(fù)位模塊、輸出驅(qū)動模塊、硬件電路保護(hù)模塊、時鐘電路、溫度采集模塊、蓄電池電壓采集模塊、蓄電池電流采集模塊、電池板輸出電壓采集模塊、電池板輸出電流采集模塊。

微控制器是整個控制系統(tǒng)的控制核心，可采用8051單片機(jī)、STM32單片機(jī)等控制器。電源與復(fù)位模塊用于給系統(tǒng)提供電能與系統(tǒng)復(fù)位，使系統(tǒng)在發(fā)生故障時能夠重新啟動。輸出驅(qū)動模塊用于給步進(jìn)電機(jī)提供驅(qū)動，實現(xiàn)電池板的雙軸轉(zhuǎn)動。硬件電路保護(hù)模塊用于保護(hù)系統(tǒng)中的硬件，避免產(chǎn)生硬件燒壞等故障。溫度采集模塊用于采集蓄電池的溫度數(shù)據(jù)，提高蓄電池的使用壽命。電壓與電流采集模塊用于采集電池板與蓄電池的電壓與電流數(shù)據(jù)，得到電池板與蓄電池功率等數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

礦物能源正在急劇減少，節(jié)能、綠色、環(huán)保等概念越來越引起人們的重視。太陽能路燈是利用太陽能可再生能源為人類服務(wù)的綠色裝置。如何設(shè)計與控制自動跟蹤裝置直接影響著太陽能路燈的利用效率。MPPT理論為蘊(yùn)ED路燈高效利用太陽能提供了方法論基礎(chǔ)，通過一定的自動跟蹤裝置，如雙軸跟蹤與視日跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合，可實現(xiàn)電池板全方位地跟蹤太陽，從而能夠得到更多的光能。文章分析了MPPT算法理論與多種自動跟蹤裝置，并介紹了雙軸自動跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)與電氣控制系統(tǒng)，為從事蘊(yùn)ED路燈自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的人員提供了參考。

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