太陽電池板智能追蹤在移動基站中的應(yīng)用

張 文，史志瑋

（內(nèi)江師范學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，四川內(nèi)江 641112）

移動通信網(wǎng)絡(luò)為了實現(xiàn)無縫全覆蓋，在很多偏遠的地區(qū)都建有大量的基站，其中很多地方電網(wǎng)是無法到達的，故大部分都采用了發(fā)電機供電方式。但由于發(fā)電機的采購、安裝、維護和加油等工作相對繁瑣，而且需要工程師親臨現(xiàn)場操作，增加了物資和人力成本。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的綠色能源，促使光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展非常迅速，目前已經(jīng)有些地區(qū)為移動基站配備了固定接收太陽能的電池板發(fā)電裝置，但是存在著光電轉(zhuǎn)換效率太低的問題[1-2]。為了使太陽電池板的輸出功率始終工作在最大點處，提高系統(tǒng)的整體效率，提出采用了視日運動軌跡追蹤和光敏電阻陣列相結(jié)合的方法，設(shè)計了太陽電池板智能追蹤系統(tǒng)，使太陽電池板實時全方位地調(diào)整姿態(tài)追蹤太陽，同時也實現(xiàn)了遠程監(jiān)控的作用。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計與追蹤工作原理

1.1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

為了實現(xiàn)對野外移動基站太陽電池板的監(jiān)測，采用C/S架構(gòu)設(shè)計了遠程監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由集中監(jiān)控中心、太陽電池板控制器和傳輸網(wǎng)絡(luò)組成。分布在各地的太陽電池板控制器負責對太陽電池板的輸出電壓、電流和蓄電池的電量等進行監(jiān)測，并通過Internet建立與監(jiān)控中心的TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)發(fā)至監(jiān)控中心。監(jiān)控中心將接收到的數(shù)據(jù)進行處理、分析、顯示、存儲和統(tǒng)計報表。系統(tǒng)保證了對移動基站設(shè)備的持續(xù)供電，一旦發(fā)現(xiàn)太陽能設(shè)備工作不正常，會自動發(fā)出報警提醒工程師到現(xiàn)場進行處理，避免信號中斷事故的發(fā)生，實現(xiàn)了對多個移動基站供電系統(tǒng)的集中管理[3]。

1.2 追蹤工作原理

為了對機械裝置中水平和俯仰角由兩個步進電機進行精確驅(qū)動，提出了視日運動軌跡和光敏電阻陣列追蹤方法，把太陽電池板精確調(diào)整到光照最強處，提高了追蹤的精度。

1.2.1 視日運動軌跡追蹤

雖然太陽在太空中的位置時刻都在變化，但其運行軌跡卻是有規(guī)律性，為了使太陽電池板的輸出功率最大，必須時刻保證太陽光與太陽電池板垂直。假設(shè)方陣垂直面與正南的夾角為0°建立坐標系，太陽的位置可由高度角α與方位角φ來確定，公式如下：

式中：δ為一年中第n天的赤緯角；φ為當?shù)氐木暥冉?；ω為時角。太陽赤緯角與時角可以由本地時間確定，而對確定的地點：

由于本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當?shù)叵嚓P(guān)地理位置與時間信息就可以確定太陽電池板傾斜跟蹤太陽的高度角和方位角，從而獲得最大的光伏發(fā)電效率[4]。

1.2.2 光敏電阻陣列追蹤

光敏電阻陣列是太陽電池板跟蹤系統(tǒng)的光信號接收器，共由8個光敏電阻圍成一圈組成，利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理設(shè)計，光敏電阻陣列如圖1所示。

圖1 光敏電阻陣列

將光敏電阻陣列用一不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑略大于光敏電阻陣列的外圓，以便光線通過，將整個光電檢測裝置安裝在太陽電池板上，與電池板平行。如果太陽光垂直照射太陽電池板時，關(guān)于x軸或者y軸兩個對稱的光敏電阻接收到的光照強度相同，所以表現(xiàn)的阻值完全相等，此時電動機不轉(zhuǎn)動。當太陽光方向與電池板垂直方向有夾角時，接收光強多的光敏電阻阻值減小，此時調(diào)整驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強度相同?？刂旗`敏度的高低直接影響跟蹤精度，光敏電阻陣列光強比較法的優(yōu)點在于控制精確，使太陽光永遠垂直照射在接收面上，進一步提高了太陽能的吸收率和轉(zhuǎn)化率[5]。

2 太陽電池板控制器設(shè)計

太陽電池板控制器主要由DSP處理器TMS320F2812、光敏電阻陣列、信號處理電路、GPS模塊、網(wǎng)路控制器、太陽電池板、步進電機運動控制模塊、充放電控制電路和蓄電池組等組成。太陽能控制器組成框圖如圖2所示。

圖2 太陽能控制器結(jié)構(gòu)

太陽電池在陽光的照射下光伏發(fā)電，通過充放電控制電路向蓄電池組充電，再供負載使用。由于太陽光照射在太陽電池板上的角度時刻都在變化，為了使角度保持垂直，需要通過調(diào)整水平和垂直方向的步進電機完成。DSP處理器TMS320F2812利用GPS模塊串口獲取當?shù)匚恢煤蜁r鐘信息，經(jīng)過運算得到太陽的高度角α與方位角φ，再通過循環(huán)檢測太陽電池板的位置，將其與計算出的太陽的高度角與方位角進行比較來確定是否追蹤上太陽。如果滿足啟動條件，處理器發(fā)出指令驅(qū)動相應(yīng)的步進電機工作，機械傳動機構(gòu)帶動光伏電池陣列轉(zhuǎn)動，驅(qū)動脈沖由處理器內(nèi)部自帶的PWM發(fā)生模塊產(chǎn)生，只需在軟件中設(shè)置相應(yīng)的有關(guān)參數(shù)就可改變電機的轉(zhuǎn)動角度。光敏電阻陣列接受光照輸出電壓值，經(jīng)過信號處理電路，給處理器的ADC口進行轉(zhuǎn)換，再通過水平和垂直步進電機對太陽電池板位置的微調(diào)，確保8個光敏電阻輸出相等的電壓，使太陽電池板與光線保持絕對的垂直。

2.1 光敏電阻陣列與信號處理電路

光敏電阻陣列與信號處理電路是為了實現(xiàn)對太陽電池板位置進行微調(diào)，使實際的太陽光與太陽電池板保持絕對的垂直，光敏電阻陣列與信號處理電路如圖3所示。

圖3 輸出電壓測試

光敏電阻陣列是用來檢測太陽光強的，在投入使用前需要在暗室進行校準，調(diào)整可變電阻R13-R83的值使檢測點T1-T8的輸出電壓值相等。隨著光照的增強，光敏電阻值減小，當太陽電池板與太陽光保持垂直時，光敏電阻R12-R18接收的光強是一樣的，阻值變化量也是相等的。當有微小的偏差發(fā)生時，處理器控制步進電機驅(qū)動機械裝置調(diào)整偏差，保證太陽電池方陣正對太陽光，達到自動跟蹤太陽的目的[6-7]。

2.2 太陽能控制器軟件設(shè)計

所有程序的編寫都是在DSP處理器集成開發(fā)環(huán)境CCS下完成的。軟件設(shè)計采用模塊化編程方法，系統(tǒng)選擇匯編語言與C++語言混合編寫，這樣不僅可以提高編程效率，也增強了程序編寫過程中的靈活性，而且為以后系統(tǒng)的維護和升級帶來方便。軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

太陽電池板控制器上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，包括DSP處理器的初始化、太陽電池板位置的歸位、網(wǎng)絡(luò)控制器的配置、GPS模塊的初始化等，然后根據(jù)預(yù)設(shè)的服務(wù)器IP地址和服務(wù)端口號，建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接，DSP處理器通過串口獲取GPS模塊輸出的當前位置的緯度和時間，根據(jù)GPS模塊輸出的信息運算得出太陽的高度角與方位角，并通過水平和垂直方位步進電機調(diào)整太陽電池板的機械裝置。再通過光敏電阻陣列的8個輸出電壓值進行比較，對太陽電池板的位置進行微調(diào)，達到接收最大光強的目的。最后將太陽能電源整個系統(tǒng)的采集數(shù)據(jù)打包發(fā)送至監(jiān)測中心，根據(jù)設(shè)置延時n秒后，再次進入循環(huán)。

3 監(jiān)控中心管理軟件與測試實驗

監(jiān)控中心與各分布的移動基站太陽電池板控制器采用C/S架構(gòu)設(shè)計，通過建立TCP/IP網(wǎng)絡(luò)連接進行通信，為達到并發(fā)的需求，主程序采用多線程機制，為新建立的連接創(chuàng)建一個單獨的收發(fā)數(shù)據(jù)線程，保障各太陽能控制器的數(shù)據(jù)傳輸獨立性、及時性和安全性。

3.1 監(jiān)控中心管理軟件

監(jiān)控中心管理軟件以VC++6.0為開發(fā)平臺，采用ACCESS2003為后端數(shù)據(jù)庫，通過以太網(wǎng)實現(xiàn)與各移動基站太陽能控制器的通信，軟件具備網(wǎng)絡(luò)管理、歷史查詢、數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計分析、報表輸出和報警提醒等功能[8-9]。監(jiān)控中心管理軟件功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)控中心管理軟件功能

監(jiān)控中心將從各移動基站接收來的數(shù)據(jù)進行處理、分析和顯示，太陽能供電系統(tǒng)的各項數(shù)據(jù)直觀顯示在監(jiān)視器上，一旦某個分站出現(xiàn)故障，軟件會自動發(fā)出報警信息，提醒工程師盡快到現(xiàn)場進行處理，避免供電中斷事故的發(fā)生。

3.2 測試實驗

采用規(guī)格為100W/18V太陽電池板，并將轉(zhuǎn)化的全部電量存儲到初始電量都相等的兩個鉛蓄電池組中，單節(jié)蓄電池的容量為12 V/24 Ah，3節(jié)蓄電池并聯(lián)組成蓄電池組，并與負載斷開。其中，裝置A：固定接收太陽光，即太陽電池板的垂直面與正南的夾角始終為0°；裝置B：采用設(shè)計的太陽電池板智能追蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)所需電都取自蓄電池組。兩個裝置放在同一位置。從早上9點開始，對白天6個小時的輸出電流和轉(zhuǎn)化電量進行了監(jiān)測和記錄。測試對比結(jié)果如表1所示。

表1 測試對比結(jié)果

從表1得出，一天當中太陽電池板在中午光強最強的時候輸出電流達到最大值，且?guī)в兄悄茏粉櫻b置B的輸出電流始終大于固定接收裝置A的輸出電流，截止15時太陽電池板的轉(zhuǎn)化電量提高了10.84%。

4 結(jié)論

采用視日運動軌跡和光敏電阻陣列法構(gòu)建了智能追蹤系統(tǒng)模型，通過GPS模塊獲取精確的地理位置和時鐘信息，再經(jīng)過DSP處理器運算后驅(qū)動步進電機工作，使太陽電池板自動保持與太陽光的絕對垂直，有效地提高了太陽能的光伏發(fā)電效率，而且監(jiān)控中心能夠?qū)Ψ植荚诟鞯氐囊苿踊竟╇娤到y(tǒng)進行遠程集中觀測。經(jīng)過一天內(nèi)6個小時的觀測實驗，該太陽電池板智能追蹤系統(tǒng)比固定接收電能轉(zhuǎn)化率提高了10.84%，大大提高了移動基站供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和持續(xù)性，符合構(gòu)建環(huán)保型和節(jié)能型社會發(fā)展的要求。

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