侯文寶，劉志堅(jiān)

（江蘇建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

近年來，許多地方出臺(tái)政策鼓勵(lì)居民在屋頂自設(shè)光伏發(fā)電裝置，作為電力系統(tǒng)的補(bǔ)充。此外，長(zhǎng)遠(yuǎn)看來，太陽能作為清潔的可再生能源也是得到了人們的重視[1-3]。研究人員實(shí)驗(yàn)了很多方法來提高發(fā)電效率，文獻(xiàn)[4]研究了不同經(jīng)緯度發(fā)電效率最高的光伏板安裝最佳傾角。但是太陽的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)隨著時(shí)間變化而改變，所以在光伏板固定在一個(gè)角度的情況下，光伏板在一天中絕大多數(shù)時(shí)間都不能和太陽光線形成垂直關(guān)系，也就是說不能最有效的利用太陽光。文獻(xiàn)[5]研究了聚光光伏發(fā)電技術(shù)，但是諸如成本高、聚光電池效率低、聚光冷卻技術(shù)等限制條件阻礙了聚光光伏的實(shí)用推廣。為了更高效的采集太陽輻射能，提高光伏發(fā)電效率，設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)調(diào)節(jié)光伏板的光伏自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。

圖1 光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)框圖

1 工作原理

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)選擇4 個(gè)光敏電阻作為光敏傳感器，安裝在光伏板四邊中點(diǎn)位置。光敏電阻的阻值會(huì)隨著吸收的光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而變小，每個(gè)光敏電阻和光伏板之間設(shè)置一個(gè)小擋板，當(dāng)光伏板直對(duì)陽光時(shí)，光敏電阻的阻值大小相等。而隨著太陽位置發(fā)生改變，部分光敏電阻將逐漸進(jìn)入小擋板形成的陰影區(qū)域，比較上下和左右的兩組光敏電阻的阻值大小關(guān)系，在單片機(jī)中產(chǎn)生脈沖信號(hào)。該信號(hào)通過放大電路處理后將驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)調(diào)整光伏板的偏移角度讓其能夠繼續(xù)接受陽光的正面照射，從而完成對(duì)太陽的跟蹤。

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的電機(jī)伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為雙軸跟蹤[6-7]，選用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，能夠在高度角和方位角兩個(gè)維度同時(shí)追蹤。系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)隨機(jī)系統(tǒng)，具有較高的穩(wěn)定度和靈敏度。光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)控制原理框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片選擇

控制芯片的選用要考慮到芯片功能齊全、信號(hào)處理速度快，還要經(jīng)濟(jì)實(shí)用。為了便于系統(tǒng)的操作運(yùn)行，設(shè)計(jì)要求能在線改寫，并且可以在突然停電情況下保管數(shù)據(jù)，系統(tǒng)要盡量少的使用外圍擴(kuò)展，具有較好的運(yùn)行可靠性，綜合這些要素，最終選用STC89C52RC單片機(jī)。

2.2 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

(1)光敏傳感器的選擇

光敏傳感器選擇的是光敏電阻，能夠根據(jù)陽光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)電信號(hào)傳遞給單片機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備運(yùn)行。設(shè)計(jì)4 個(gè)光敏電阻放在光伏板的東南西北4 個(gè)邊的中點(diǎn)，通過判斷4 個(gè)光敏電阻的阻值關(guān)系使光伏板與太陽光保持垂直。

(2)AD 轉(zhuǎn)換電路

太陽光是一種模擬信號(hào)，單片機(jī)不能夠直接對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，需要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)閱纹瑱C(jī)可以直接處理的信號(hào)。而模數(shù)轉(zhuǎn)換電路是模擬量和數(shù)字量之間的橋梁。本系統(tǒng)選用PCF8591 芯片作為數(shù)模轉(zhuǎn)換器。

(3)光電檢測(cè)電路

太陽高度角以及方位角主要是由光電檢測(cè)裝置完成檢測(cè)。一旦高度角或者是方位角發(fā)生改變，檢測(cè)裝置上的光敏電阻傳輸出的信號(hào)也會(huì)隨之改變，再經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)傳送到步進(jìn)電機(jī)，最終帶動(dòng)執(zhí)行器件運(yùn)轉(zhuǎn)。使得采集光板可以正對(duì)陽光，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤。本設(shè)計(jì)的光電轉(zhuǎn)換電路由4 個(gè)基本光敏電阻電路組成，接PCF8591A/D轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換的信號(hào)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

(1)步進(jìn)電機(jī)

由于步進(jìn)電機(jī)具有穩(wěn)定可靠，不積累誤差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)選用的28BYJ48 步進(jìn)電機(jī)是四相八拍電機(jī)，電壓取值范圍在直流5V-12V 之間。正常情況下電機(jī)的轉(zhuǎn)速和停止的位置由脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)決定，給電機(jī)輸入一個(gè)脈沖信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)步距角，與負(fù)載的變化沒有關(guān)系。

(2)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片

單片機(jī)傳輸出的信號(hào)經(jīng)過驅(qū)動(dòng)芯片，才能傳送到步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)其運(yùn)行。系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)采用ULN2803 芯片。ULN2803 內(nèi)部包含8 個(gè)NPN 達(dá)林頓晶體管，可用于低邏輯電平數(shù)字電路。

(3)步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制

步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路接收到單片機(jī)發(fā)出的一個(gè)脈沖信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)一個(gè)對(duì)應(yīng)的角位移，通過脈沖個(gè)數(shù)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。單片機(jī)通過兩條控制線控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，一條線是把步進(jìn)脈沖傳輸?shù)椒峙淦髦?，另一條線是傳輸轉(zhuǎn)向控制信號(hào)。當(dāng)脈沖分配器接收到信號(hào)時(shí)，就可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)單片機(jī)發(fā)出固定的周期脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就以固定的轉(zhuǎn)速運(yùn)行；當(dāng)發(fā)送的周期脈沖遞增或遞減時(shí)，步進(jìn)電機(jī)就會(huì)減速或加速運(yùn)行；如果單片機(jī)停止發(fā)送脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)也將停止轉(zhuǎn)動(dòng)。兩線控制占用的端口較少，因此系統(tǒng)的硬件連接方便，控制簡(jiǎn)單。單片機(jī)系統(tǒng)利用脈沖分配器，通過控制輸出脈沖信號(hào)就可以進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和啟停控制。脈沖分配由脈沖分配器自行完成，可有效減輕單片機(jī)的運(yùn)算量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在剛上電時(shí)是處于初始化狀態(tài)，進(jìn)行按鍵輸入進(jìn)入運(yùn)行自動(dòng)模式。系統(tǒng)的整體流程圖如圖2 所示。當(dāng)陽光照射到光伏板上時(shí)，由分布在不同位置的光敏電阻判斷各自所在位置所接收到的光照強(qiáng)度大小，左邊的光強(qiáng)值大，光伏板就向左邊旋轉(zhuǎn)；右邊的光強(qiáng)值大，光伏板就向右邊旋轉(zhuǎn)；上邊的光強(qiáng)值大，光伏板就向上翻轉(zhuǎn)；下邊的光強(qiáng)值大，光伏板就向下翻轉(zhuǎn)；當(dāng)四個(gè)方位的光照強(qiáng)度一致時(shí)，光伏板保持不動(dòng)。光伏自動(dòng)跟蹤光伏板判別旋轉(zhuǎn)方向的程序流程圖如圖3所示。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

圖2 整體流程圖

圖3 光伏板自動(dòng)追蹤程序流程圖

根據(jù)上述設(shè)計(jì)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)固定不動(dòng)和自動(dòng)跟蹤兩種情況的發(fā)電情況進(jìn)行對(duì)比，固定式系統(tǒng)的安裝角度為正南邊45°傾角。記錄一天內(nèi)的光伏電池板輸出電壓比較數(shù)據(jù)如表4 所示。固定式的光伏板最大輸出電壓為5.48V。自動(dòng)跟蹤式的光伏板最大輸出電壓為5.66V。輸出電壓曲線對(duì)比如圖4 所示。

表1 固定式與跟蹤式輸出電壓數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4 輸出電壓曲線對(duì)比

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，固定式系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)區(qū)間輸出電壓的平方和為141，固定式系統(tǒng)在統(tǒng)計(jì)區(qū)間輸出電壓的平方和為185，由于輸出功率正比于輸出電壓的平方，簡(jiǎn)單計(jì)算可得出結(jié)論：自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)提高了31.4%輸出功率，它表明光伏自動(dòng)跟蹤式系統(tǒng)能夠接收更多的陽光，因此與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，產(chǎn)生更多的電力。

5 結(jié)論

設(shè)計(jì)的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在太陽位置變動(dòng)的情況下，利用光敏電阻檢測(cè)光伏板上下左右四個(gè)方向的光強(qiáng)度值，單片機(jī)通過比較輸入的光強(qiáng)值生成信號(hào)驅(qū)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)，然后控制步進(jìn)電機(jī)工作，使光伏板轉(zhuǎn)動(dòng)到與光強(qiáng)度值最大的方向垂直，以此來保證電池板盡可能多的吸收太陽輻射，最大程度上提高太陽能的利用效率。跟蹤系統(tǒng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)和太陽位置的及時(shí)反饋，而且它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有良好的追蹤精度及較高的靈敏度。

設(shè)計(jì)的光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)合在光伏發(fā)電系統(tǒng)可應(yīng)用于民用建筑上作為居民用電的補(bǔ)充，特別是非關(guān)鍵性設(shè)備和小功率電器，有效地提高了太陽能光伏發(fā)電效率，具有很好的推廣價(jià)值。