基于單片機(jī)的太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉明陽(yáng)

摘 要：光伏能源是一種發(fā)電新能源，具有高清潔度、高再生的特點(diǎn)，在能源緊張的當(dāng)代其應(yīng)用價(jià)值極高。目前，光伏能源發(fā)電主要利用光伏設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在初期應(yīng)用過(guò)程中，人們發(fā)現(xiàn)，太陽(yáng)光的移動(dòng)會(huì)決定光伏設(shè)備的發(fā)電效率，即太陽(yáng)光直射光伏設(shè)備時(shí)，發(fā)電效率將達(dá)到最高。因此，為了保障光伏發(fā)電效率，本文提出了一種基于單片機(jī)的太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);太陽(yáng)能;智能追光系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TM615文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2018）26-0132-03

基于單片機(jī)的太陽(yáng)智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)，需要根據(jù)光伏發(fā)電裝置的不同做出調(diào)整，因此，本文首先參考前人研究介紹了兩類常見(jiàn)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，即普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)、槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以保障本文研究分析的全面性、針對(duì)性，然后針對(duì)兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)提出針對(duì)性的單片機(jī)下太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對(duì)兩種設(shè)計(jì)方案的功能進(jìn)行簡(jiǎn)要概述。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)

普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種應(yīng)用較為廣泛的傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其主要由太陽(yáng)能電池陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜組成。其中，太陽(yáng)能電池只要在有光照射的前提下，就會(huì)產(chǎn)生光能吸收效應(yīng)，吸收之后電池兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷的積累，此時(shí)即實(shí)現(xiàn)了光轉(zhuǎn)電的目的。而單個(gè)太陽(yáng)能電池的光能吸收及轉(zhuǎn)化的效率是有限的，未必能滿足供電需求，因此需要通過(guò)太陽(yáng)能電池陣列來(lái)提高效率。蓄電池是電池中的一種，能把有限的電能儲(chǔ)存起來(lái)，在合適的地方使用。因?yàn)閱蝹€(gè)蓄電池的電能容量是有限的，所以需要通過(guò)增加其數(shù)量來(lái)提高容量。充放電控制器是一種控制蓄電池組電能充、放及程度的重要設(shè)備，該設(shè)備首先能從蓄電池組中調(diào)用電能并傳輸?shù)焦╇娗乐?，其次能將太?yáng)能電池產(chǎn)生的電能灌輸?shù)叫铍姵刂?，最終可以控制充、放電的程度，而這有利于延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。逆變器是一種將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿难b置。因?yàn)樾铍姵刂袃?chǔ)存的電能為直流電，不可直接應(yīng)用，所以在供電渠道的前端，需要設(shè)置逆變器，當(dāng)直流電能通過(guò)逆變器之后，就會(huì)被轉(zhuǎn)換為交流電。交流配電柜主要輔助逆變器來(lái)進(jìn)行電流轉(zhuǎn)換，同時(shí)還能對(duì)線路的電能量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[1]。

1.2 槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)

槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽(yáng)能中的熱能來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)電。槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的組件為槽式聚光鏡，當(dāng)太陽(yáng)光照射到聚光鏡上時(shí)會(huì)凝聚成一條線，在此之后利用線上的管狀集熱器來(lái)吸收線上的太陽(yáng)能，吸收到的太陽(yáng)能將會(huì)被傳輸?shù)綗峁べ|(zhì)中進(jìn)行加熱，此時(shí)利用蒸汽動(dòng)力來(lái)實(shí)現(xiàn)循環(huán)發(fā)電。槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然相對(duì)少見(jiàn)，但該系統(tǒng)具有巨大的潛在的發(fā)電能力，要遠(yuǎn)超普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)。例如，在某實(shí)例槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)中，通過(guò)測(cè)試了解到，其能滿足800MW太陽(yáng)能光熱電站對(duì)建設(shè)的需求[2，3]。

2 普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)單片機(jī)太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)方案

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)追光的功能，本設(shè)計(jì)將利用太陽(yáng)光熱能作為功能基礎(chǔ)條件。設(shè)計(jì)方案主要可以分為3個(gè)部分，即硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、充放電設(shè)備設(shè)計(jì)。圖1為本文設(shè)計(jì)的模型圖。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

主要采用STC12C5A60S2單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選擇四象限法來(lái)設(shè)計(jì)光敏電阻采集光信號(hào)分布。此時(shí)，光能產(chǎn)生的電能會(huì)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，單片機(jī)帶有10位A/D轉(zhuǎn)換和抗干擾濾波電路，而利用這兩項(xiàng)電路能實(shí)現(xiàn)不同電能電壓的比較。然后，采用PWM波驅(qū)動(dòng)舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池陣列的轉(zhuǎn)動(dòng)，PWM波驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的供電電路，本文采用LM7805三端穩(wěn)壓集成芯片，此電路除了具備供電功能以外，還具備穩(wěn)壓調(diào)壓功能。在轉(zhuǎn)動(dòng)中，本文利用光敏電阻的光照強(qiáng)度對(duì)比原理，設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)則，即當(dāng)光敏電阻的光照強(qiáng)度與設(shè)置強(qiáng)度基本一致時(shí)即可。為了滿足轉(zhuǎn)動(dòng)條件，采用DS18SB20溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測(cè)。此外，通過(guò)DS18SB20溫度傳感器還能避免太陽(yáng)能電池陣列溫度過(guò)高而導(dǎo)致輸出功率下降的問(wèn)題，即當(dāng)檢測(cè)到溫度大于45℃時(shí)，將驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，帶動(dòng)降溫設(shè)備進(jìn)行降溫。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

主要利用Kei5來(lái)進(jìn)行編程設(shè)計(jì)。在編程過(guò)程中，主要選用電壓比較算法、智能算法。在兩種算法的結(jié)合下，能智能地對(duì)太陽(yáng)的高度、太陽(yáng)角度進(jìn)行計(jì)算，以此可以避免太陽(yáng)能利用效率變化不明顯的現(xiàn)象。此外，編程與算法的效率高，能夠使太陽(yáng)能電池陣列的反應(yīng)速度大幅度提高，在短時(shí)間內(nèi)即可自動(dòng)轉(zhuǎn)到光照強(qiáng)度的最高區(qū)域。

2.4 充放電設(shè)備設(shè)計(jì)

主要采用PWR2.5標(biāo)準(zhǔn)充電口。此充電口的介入，實(shí)現(xiàn)了追光系統(tǒng)的雙電源供給，避免在某些特殊情況下，因?yàn)殡姵貨](méi)電使追光系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行運(yùn)作的“窘境”。

3 槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)單片機(jī)太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鑒于槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文采用AVR單片機(jī)來(lái)進(jìn)行追光控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案主要包括機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)部分。其中，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)要能滿足追光系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)動(dòng)的條件;硬件系統(tǒng)主要受軟件系統(tǒng)的控制，驅(qū)動(dòng)機(jī)械設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)光能數(shù)據(jù)進(jìn)行管控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中;軟件系統(tǒng)主要控制硬件系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)決策控制指令。圖2為槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)追光系統(tǒng)實(shí)例圖。

3.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

機(jī)械系統(tǒng)主要包括聚光拋物面、活動(dòng)支架、固定支架、推桿電機(jī)4項(xiàng)機(jī)械系統(tǒng)，具體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3可知，活動(dòng)支架是整體設(shè)計(jì)的主要軀干，其主要與聚光拋物面、推桿電機(jī)相互連接。在與聚光拋物面連接過(guò)程中，活動(dòng)支架能圍繞聚光拋物面進(jìn)行焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。由此說(shuō)明，無(wú)論太陽(yáng)光照的角度如何變化，360°焦點(diǎn)旋轉(zhuǎn)都能滿足系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的需求。在與推桿電機(jī)連接時(shí)，推桿電機(jī)是驅(qū)動(dòng)活動(dòng)支架的動(dòng)力裝置，受硬件系統(tǒng)的控制。此外，在固定支架方面，其同樣受到硬件系統(tǒng)的控制，控制規(guī)則為：當(dāng)活動(dòng)支架在運(yùn)動(dòng)時(shí)，固定支架不發(fā)揮功能，當(dāng)活動(dòng)支架運(yùn)動(dòng)停止時(shí)，固定活動(dòng)支架。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括太陽(yáng)位置檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)、電機(jī)控制設(shè)計(jì)3個(gè)部分，下文將對(duì)此進(jìn)行逐一分析。圖4為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖。

3.2.1 太陽(yáng)位置檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)。太陽(yáng)位置檢測(cè)設(shè)備主要由4個(gè)光敏電阻、1個(gè)擋光板組成。設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先將4個(gè)光敏電阻分別布設(shè)在擋光板的四角周邊，其中1號(hào)光敏電阻與4號(hào)光敏電阻將遠(yuǎn)離擋光板，并呈45°角分別向西、東兩個(gè)方面擺放，而2號(hào)、3號(hào)光敏電阻將緊貼擋光板，并呈90°安裝。4塊光敏電阻的安裝，可以囊括太陽(yáng)光照移動(dòng)的所有路徑，實(shí)現(xiàn)各角度光能接受。

3.2.2 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)。鑒于本文所采用AVR單片機(jī)硬性需求，主要選擇了兩個(gè)I/O引腳輸出高低電平控制繼電器，在兩個(gè)繼電器的電路傳輸下，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的運(yùn)作。

3.2.3 電機(jī)控制設(shè)計(jì)。選用24V直流電機(jī)作為推桿電機(jī)，以此來(lái)控制設(shè)備根據(jù)陽(yáng)光轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的兩極分別與繼電器的輸出引腳相連。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

采用相關(guān)電機(jī)控制軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制。為了保障控制的精確性，本文將對(duì)軟件的控制規(guī)則進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過(guò)程中主要考慮天氣因素，將各類天氣因素下太陽(yáng)光照狀態(tài)分為4個(gè)等級(jí)，即無(wú)光、上方、左方、右方。在各等級(jí)之下，依靠太陽(yáng)位置檢測(cè)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，可以使軟件了解當(dāng)前太陽(yáng)光的狀況，之后軟件將根據(jù)狀況條件，自動(dòng)切換控制狀態(tài)，以此使設(shè)備進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)追光目的。

4 結(jié)語(yǔ)

太陽(yáng)能是一種應(yīng)用價(jià)值極高的新型能源，因此其具有較高的應(yīng)用價(jià)值。但是，太陽(yáng)光光伏發(fā)電的效率會(huì)因?yàn)樘?yáng)光的強(qiáng)度出現(xiàn)漲落，因此，為了保持發(fā)電效率處于高峰狀態(tài)，需要構(gòu)建太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)。本文主要針對(duì)當(dāng)前常見(jiàn)的兩種光伏發(fā)電模式，圍繞單片機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)能智能追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)。兩項(xiàng)設(shè)計(jì)方案的相同點(diǎn)在于都采用了硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)，不同點(diǎn)在于充放電設(shè)備設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這表明前者設(shè)計(jì)是以光伏系統(tǒng)本身為基礎(chǔ)的，后者則通過(guò)機(jī)械設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)作。

參考文獻(xiàn)：

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