光伏發(fā)電雙軸智能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

廣東電網(wǎng)梅州豐順供電局 黃潤德

隨著社會的科技快速發(fā)展，全球?qū)δ茉吹南牧砍蓭缀伪稊?shù)增長，但至今為止人類社會活動的首要能源仍來自化石燃料焚燒。因此，新能源的探尋和開發(fā)利用刻不容緩。光伏發(fā)電雙軸智能跟蹤系統(tǒng)選取單片機(jī)STM32作為核心處理芯片，以鋰電池充電保護(hù)TP4056為基礎(chǔ)設(shè)計充電控制裝置，同時利用光電傳感器跟蹤光源位置，以ULN2003型步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行器件，設(shè)計出具有智能跟蹤光源功能的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)，以達(dá)到最大限度的提高太陽能的利用率的目的。

光伏發(fā)電最大的問題是如何將太陽能的轉(zhuǎn)化率提高至理想值，當(dāng)前提高光伏發(fā)電效率首要是將光能的轉(zhuǎn)化率和光照的有效采集兩個方面開始研究。因為地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)的運(yùn)動特性，使得太陽和地球的相對位置每分每秒在發(fā)生改變。因此，如何研究設(shè)計一種光伏發(fā)電系統(tǒng)，讓太陽入射光線始終光伏發(fā)電板保持90°，以確保能在單位時間和單位面積上光能采集率最大，所以要求研究設(shè)計系統(tǒng)要能夠保證光伏發(fā)電板與太陽的相對位置不發(fā)生改變。數(shù)據(jù)表明：光伏發(fā)電陣列應(yīng)用跟蹤模式在能量利用率方面，比固定模式的提高接近35%，比高聚焦比系統(tǒng)提高20%。所以研究設(shè)計光伏發(fā)電雙軸智能跟蹤系統(tǒng)對提高太陽能利用具有現(xiàn)實意義。

1 雙軸智能跟蹤系統(tǒng)的光電追蹤原理

雙軸智能跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1所示，以兩個步進(jìn)電機(jī)分別控制執(zhí)行裝置的高度角和方位角空間的轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)光伏發(fā)電板與太陽照射光線時刻保持垂直，兩臺步進(jìn)電動機(jī)旋轉(zhuǎn)控制跟蹤太陽高度角和方位角的變化。由位置跟蹤理論可知，太陽位置的參照對象是設(shè)備安裝地點(diǎn)水平面的南北方向線。在現(xiàn)實中，光伏發(fā)電裝置的安裝只能接近理論標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 雙軸智能跟蹤裝置模型

光電傳感器的工作原理：當(dāng)天氣是夜晚或者陰雨時，沒有足夠光照安裝在光伏發(fā)電板上的光電二極管所反應(yīng)產(chǎn)生電壓值為Ua+Ub+Uc+Ud，且小于或等于系統(tǒng)設(shè)定值時，雙軸智能跟蹤系統(tǒng)處于休眠狀態(tài)下系統(tǒng)輸出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動步數(shù)為0，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持停止?fàn)顟B(tài)。直到光線達(dá)到最低需求光照發(fā)電強(qiáng)度，再進(jìn)入智能跟蹤太陽的狀態(tài)。

當(dāng)跟蹤設(shè)備位于光照強(qiáng)度足夠的環(huán)境時，裝在光伏發(fā)電板上的四個光電二極管感應(yīng)電壓值之和Ua+Ub+Uc+Ud大于系統(tǒng)設(shè)定值，雙軸智能跟蹤系統(tǒng)進(jìn)入智能跟蹤狀態(tài)。光敏電阻中電流信號在經(jīng)過穩(wěn)壓模塊后變?yōu)閁a、Ub、Uc、Ud，并傳送到控制芯片發(fā)出信號，控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向與圈數(shù)。當(dāng)Ua、Ub、Uc、Ud的電壓值大小不相等時，則垂直方向的電壓偏差量Δm和Δn將不等于零。電壓偏差量計算公式：

控制系統(tǒng)通過對Δm和Δn分析計算并轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)次數(shù)和旋轉(zhuǎn)方向，使設(shè)備能時刻跟蹤太陽。從而使光伏發(fā)電板與太陽光線相互垂直，四個光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度不斷變化，使Ua、Ub、Uc、Ud的值大小趨近于相等?？刂葡到y(tǒng)不斷采集AD信號，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)使光伏發(fā)電板的方向與入射光線不斷趨近垂直，最終達(dá)到跟蹤太陽的目的。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

光伏發(fā)電雙軸智能跟蹤系統(tǒng)主要由控制裝置、執(zhí)行裝置、檢測裝置、輔助裝置4部分組成。控制裝置包括STM32單片機(jī)核心電路、按鍵電路。執(zhí)行裝置包括步進(jìn)電機(jī)及ULN2003驅(qū)動電路、TFT彩屏顯示電路、光伏發(fā)電電路。檢測電路包括光照感應(yīng)電路。輔助裝置包括TP4056鋰電池充電電路、穩(wěn)壓電路、升壓電路等。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)實現(xiàn)的功能有如下，利用太陽能電池板進(jìn)行光伏發(fā)電，并將電能儲存到鋰電池中，實現(xiàn)系統(tǒng)供電的自給自足；采集光敏電阻所受到的光照數(shù)據(jù)，并在TFT顯示屏中顯示光照強(qiáng)度的變化；“智能跟蹤模式”是系統(tǒng)自動追尋光照較強(qiáng)的方向，根據(jù)市場中步進(jìn)電機(jī)的規(guī)格不標(biāo)準(zhǔn)，“智能跟蹤模式”分為自動1（順時針轉(zhuǎn)動），自動2（逆時針轉(zhuǎn)動）；“手動跟蹤模式”是系統(tǒng)通過人為的操作按鍵控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而改變太陽能板的朝向；通過STM32將電池電壓換算為電池容量，并TFT顯示屏中顯示鋰電池的電量，并當(dāng)電量低45%，將電量數(shù)字顯示為紅色進(jìn)行警示；為了避免當(dāng)天氣不好時，系統(tǒng)儲蓄電量不足無法正常工作的情況。通過TP4056充電模塊就可以通過安卓數(shù)據(jù)線為系統(tǒng)提供電源。

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

3.1 STM32單片機(jī)核心電路設(shè)計

STM32系列處理器是基于ARM 7架構(gòu)的32位、能夠完成實時仿真和跟蹤的微控制器。選擇STM32作為雙軸智能跟蹤系統(tǒng)的核心電路是因為STM32的主要優(yōu)勢：（1）使用ARM最新的、先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核（2）具有出色的實時性能和功耗控制（3）便于開發(fā)，在醫(yī)療器械等領(lǐng)域中有廣泛應(yīng)用，產(chǎn)品可快速開發(fā)進(jìn)入市場。對于在一個平臺開發(fā)多個項目功能來說，STM32是最適合的選擇。因為當(dāng)在設(shè)計系統(tǒng)時，STM32可以不修改原始設(shè)計框架及軟件的前提下，將系統(tǒng)的功能應(yīng)用進(jìn)行升級。

3.2 步進(jìn)電機(jī)及ULN2003驅(qū)動電路設(shè)計

步進(jìn)電機(jī)雖然已經(jīng)廣泛在現(xiàn)實中應(yīng)用，但不同于普通直流電機(jī)。它必須在由脈沖信號與驅(qū)動電路等構(gòu)成的控制系統(tǒng)的控制下才能使用。鑒于單片機(jī)自身驅(qū)動能力弱及輸出的電信號較弱，故選擇ULN2003驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作。ULN2003內(nèi)部具有消線圈反電動勢功能的二極管，用作啟動繼電器工作。一般控制系統(tǒng)在啟動ULN2003工作時，需要連接電阻值為2K的上拉電阻，同時COM引腳應(yīng)當(dāng)不接或直接電源相連。

3.3 按鍵電路設(shè)計

本系統(tǒng)采用輕觸按鍵，輕觸按鍵當(dāng)按下按鍵使開關(guān)接通，松開按鍵時開關(guān)斷開，工作原理是利用它自身內(nèi)部的金屬彈片的彈性形變來實現(xiàn)電路接通與斷開。按鍵作為系統(tǒng)的輸入，起到人機(jī)交互的樞紐控制作用。該系統(tǒng)中的單片機(jī)芯片控制引腳默認(rèn)為高電位，當(dāng)輕觸按鍵按下時，該單片機(jī)引腳變化為低電平，進(jìn)而實現(xiàn)系統(tǒng)控制。系統(tǒng)的自動跟蹤模式和手動跟蹤模式通過按鍵進(jìn)行選擇，當(dāng)設(shè)置進(jìn)入手動模式，其他四個按鍵分別控制電機(jī)：上翻，下翻，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。按鍵按一下，電機(jī)微動一點(diǎn)，持續(xù)按下電機(jī)持續(xù)動作。實現(xiàn)手動控制電機(jī)運(yùn)行到某一狀態(tài)。

3.4 光照感應(yīng)電路設(shè)計

智能跟蹤系統(tǒng)采用光敏電阻作為感應(yīng)光照的元件，光敏電阻主要制作材料為半導(dǎo)體材料如：硫化鎘、硒化鎘等。它實現(xiàn)功能主要是依據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)，光敏電阻在光照下產(chǎn)生載流子在電場力的作用下做漂移運(yùn)動，電子往電源正極移動，空穴往電源負(fù)極移動，從而使其阻值與光照強(qiáng)度成正比。它自身對光照十分敏感，在無光環(huán)境時，呈高阻態(tài)，阻值可達(dá)1.5MΩ。在光照感應(yīng)電路設(shè)計通過4組光敏電阻分別串聯(lián)分壓電阻通過電壓差實現(xiàn)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的智能跟蹤。

3.5 光伏發(fā)電電路設(shè)計

光伏發(fā)電是將太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)，工作原理是運(yùn)用半導(dǎo)體上的光生伏特效應(yīng)。光伏發(fā)電裝置主要由太陽能電池板、控制裝置和逆變裝置、電能儲存裝置組成。在光伏發(fā)電電路中采用9V多晶硅太陽能電池板作為發(fā)電裝置，并將光能轉(zhuǎn)化而來的電能先通過LM7805穩(wěn)壓，再通過充電模塊為鋰電池進(jìn)行充電。由于需要的鋰電池兩端額定電壓為3.7V-4.2V，還需要為控制系統(tǒng)等電路進(jìn)行供電。因此需要通過升壓電路將光伏發(fā)電產(chǎn)生3.7V電壓升壓至5V左右為整個系統(tǒng)進(jìn)行供電。

光伏發(fā)電雙軸智能跟蹤系統(tǒng)是利用兩個步進(jìn)電機(jī)控制太陽能電池板的方位角和高度角實現(xiàn)智能跟蹤。本系統(tǒng)是閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)在光照條件下對太陽位置進(jìn)行精準(zhǔn)跟蹤。系統(tǒng)還可通過手動跟蹤模式和自動跟蹤模式隨時切換，讓系統(tǒng)在現(xiàn)實中的運(yùn)轉(zhuǎn)更加穩(wěn)定流暢，并使其精準(zhǔn)度有一定程度的提高。選擇雙軸跟蹤的方式，最大限度的提高對太陽光的接收時間與強(qiáng)度，并完成對系統(tǒng)可靠性的分析與應(yīng)用。在提高利用率的前提下，保證整體系統(tǒng)的可靠性。