基于嵌入式系統(tǒng)的光伏平單軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭小帆，趙 磊

（黃山學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，安徽 黃山 245041）

隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，能源的消耗日益增加，目前消耗的能源以煤炭、石油和天然氣等不可再生資源為主，隨著資源的不斷減少，能源問(wèn)題備受關(guān)注。光伏發(fā)電作為一種重要的新能源得到了快速發(fā)展[1-2]，并得到了廣泛的應(yīng)用。目前光伏組件的轉(zhuǎn)換效率得到了提高，但也達(dá)到了較難突破的瓶頸，如何更好地提高太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)換效率成為了研究的熱點(diǎn)。當(dāng)前光伏發(fā)電應(yīng)用較多的為固定結(jié)構(gòu)支架，光伏跟蹤控制系統(tǒng)[3]使光伏發(fā)電的輸出功率更高，發(fā)電效率更高。

從跟蹤原理上說(shuō)，主要實(shí)現(xiàn)跟蹤的方式有視日軌跡跟蹤[4-5]和光電跟蹤[6-7]兩種。視日軌跡跟蹤方法的優(yōu)勢(shì)是不受天氣和環(huán)境的影響，通過(guò)天文公式計(jì)算太陽(yáng)在不同緯度和時(shí)間的高度角和方位角，但跟蹤的精度完全取決于控制器算法的精確性，很難實(shí)現(xiàn)高精度的控制。光電跟蹤通過(guò)使用光敏元件構(gòu)成的傳感器感應(yīng)太陽(yáng)所在位置[8-9]，控制精度較高，但容易受天氣等環(huán)境因素的影響。從跟蹤的結(jié)構(gòu)上說(shuō)，跟蹤系統(tǒng)分為雙軸、斜單軸、平單軸三種大的結(jié)構(gòu)形式。雙軸跟蹤和斜單軸跟蹤系統(tǒng)的成本偏高。隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)整體價(jià)格的下降，雙軸跟蹤系統(tǒng)比固定支架成本增加50%左右，發(fā)電量卻增加不到50%，很難在實(shí)際項(xiàng)目中大范圍應(yīng)用。研究一種高性價(jià)比光伏跟蹤系統(tǒng)成為了一種趨勢(shì)，而且光伏平單軸跟蹤系統(tǒng)在使光伏組件更大限度地接收太陽(yáng)輻射的同時(shí)具有成本的優(yōu)勢(shì)。平單軸跟蹤系統(tǒng)通過(guò)控制支架隨著太陽(yáng)的移動(dòng)而旋轉(zhuǎn)，使太陽(yáng)的光線盡可能垂直照射在組件上，以提高組件接收太陽(yáng)輻射量。平單軸跟蹤系統(tǒng)對(duì)提高發(fā)電量有重要意義，具有很好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

1 控制器總體設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)以意法半導(dǎo)體的芯片STM32F103ZE為核心，包括相關(guān)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。硬件部分包括了開(kāi)關(guān)的按鍵信號(hào)輸入、限位器的信號(hào)輸入、電壓轉(zhuǎn)換及濾波、電機(jī)控制電路、485通訊電路等。硬件電路原理框圖如圖1所示。軟件設(shè)計(jì)包括太陽(yáng)位置計(jì)算程序、支架跟蹤角度計(jì)算程序、電機(jī)控制程序、485通訊程序等。系統(tǒng)有手動(dòng)和自動(dòng)模式，既能手動(dòng)調(diào)整直接，也可通過(guò)計(jì)算支架的目標(biāo)角度，控制電機(jī)使支架自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度。

圖1 硬件電路原理框圖

2 跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

限位器的信號(hào)輸入經(jīng)過(guò)光耦TLP281-4進(jìn)行隔離，將微控制器部分和限位器隔離開(kāi)。限位器內(nèi)部采用干簧管作為感應(yīng)裝置，當(dāng)限位器靠近布置在減速機(jī)上的磁鐵，干簧管導(dǎo)通，限位器輸出的電壓由0 V變成24 V，微控制器IO口由低變高后，實(shí)現(xiàn)限位器信號(hào)的輸入。

2.1 電源電路

電源電路通過(guò)LM2596S-5.0電源芯片將24 V電源電壓轉(zhuǎn)成5 V，24 V到5 V降壓電路如圖2所示。圖2中C2、C3、C4、C7、C9、C10為濾波電容，能提高系統(tǒng)的抗干擾能力。通訊電路采用Maxim公司的MAX485芯片。

圖2 24 V轉(zhuǎn)5 V電源電路

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由LN298芯片及其外圍電路組成，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3所示。LN298芯片為H橋驅(qū)動(dòng)集成電路，具有輸出電流大、功率強(qiáng)的特點(diǎn)，其最高工作電流4 A，最高工作電壓50 V，可以驅(qū)動(dòng)大功率直流電機(jī)。通過(guò)芯片1腳和15腳的采樣電阻測(cè)得電流大小，以實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3 跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)參數(shù)自檢、支架目標(biāo)位置計(jì)算、電機(jī)控制、485通訊程序等。系統(tǒng)的整體程序框圖如圖4所示。初始化主要完成微控制器各模塊的初始化。系統(tǒng)參數(shù)自檢主要完成系統(tǒng)內(nèi)各相關(guān)參數(shù)是否正確，正確機(jī)械執(zhí)行，如果不正確則進(jìn)行報(bào)警。支架目標(biāo)位置計(jì)算結(jié)合經(jīng)緯度、時(shí)間信息計(jì)算出支架目標(biāo)的角度，電機(jī)控制主要控制支架旋轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度。485通訊遵循modbus協(xié)議，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊。

圖4 系統(tǒng)的整體程序框圖

4 結(jié)束語(yǔ)

以青海省共和縣（緯度為36.3°N，經(jīng)度為100.6°E）為例，通過(guò)PVsyst軟件模擬得到該地固定支架和平單軸跟蹤系統(tǒng)每千瓦每年的發(fā)電量。固定支架每千瓦每年總共發(fā)電量為1 771.7 kW·h，平單軸跟蹤每千瓦每年總共發(fā)電量為2 037.5 kW·h，平單軸跟蹤提高發(fā)電量約15%。在同等環(huán)境條件下，相同功率的光伏組件采用平單軸跟蹤系統(tǒng)比固定支架的系統(tǒng)的發(fā)電量提高14%以上，能夠有效提高光伏發(fā)電效率。平單軸跟蹤系統(tǒng)比固定支架的成本增加約5%，能夠提高電站的投資收益比，縮短投資回本年限。從經(jīng)濟(jì)成本角度分析，系統(tǒng)有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，光伏平單軸跟蹤系統(tǒng)有著良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。