丁 健 王 俊

(合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系，安徽 合肥 230601）

光伏電池板跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

丁 健 王 俊

(合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系，安徽 合肥 230601）

對以STC89C52單片機(jī)作為控制器的光伏電池板跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研究。系統(tǒng)通過光伏電池板自動(dòng)跟蹤太陽光，使光伏電池板盡可能與入射光線成直角，從而使光伏電池板獲得較高的集光效率。為此，利用光敏電阻實(shí)現(xiàn)光電信號的檢測，設(shè)計(jì)了光敏電阻分壓電路，將采集到的電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送給單片機(jī)處理，通過控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池板的自動(dòng)跟蹤控制。經(jīng)驗(yàn)證，本系統(tǒng)能滿足光伏電池板實(shí)時(shí)跟蹤太陽的功能，而且結(jié)構(gòu)簡單，性能較穩(wěn)定。

光伏；跟蹤；光敏電阻；電池板

1 前言

隨著人類對能源需求的日益增加，化石能源的儲量正日趨枯竭，大量使用化石燃料己經(jīng)為人類生存環(huán)境帶來了嚴(yán)重的后果。大力發(fā)展可再生能源對保障世界各國能源安全、改善環(huán)境保護(hù)、增加各國就業(yè)都起了重要作用。因此，可再生能源的開發(fā)越來越受到各國的重視[1]。如今，可再生能源已經(jīng)在世界能源消費(fèi)中占據(jù)了重要地位，在發(fā)電、供熱(制冷）、交通等各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

太陽能相對于其他資源和能源而言，它具有清潔、經(jīng)濟(jì)、無污染[2]。當(dāng)前，光伏產(chǎn)業(yè)得到了迅速發(fā)展，然而，光伏電池板利用效率不高。通過光伏電池板自動(dòng)跟蹤太陽光，使光伏電池板盡可能與入射光線成直角，從而使太陽能電池板獲得更高的集光效率，是高效利用太陽能的一個(gè)解決方案[3]。

目前，太陽能電池板安裝大多數(shù)是固定的，而太陽的位置是不斷變化的，光伏電池板與入射光線之間的夾角發(fā)生變化，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率不高。太陽能電池板如能跟蹤太陽光就能夠產(chǎn)生更多的能量。據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽能光伏發(fā)電中，采用自動(dòng)跟蹤太陽光，能夠比太陽能電池板固定時(shí)的發(fā)電量增加35%[4]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)選擇STC89C52作控制器，以光敏電阻作為實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的元器件，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)化。將兩個(gè)完全相同的光敏電阻分別放置在電池板東西方向上兩個(gè)不同的位置，利用分壓電路將光照強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，將采集到的兩路電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變?yōu)閿?shù)字信號后直接送給單片機(jī)處理，然后通過由ULN2003芯片構(gòu)成的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，控制步進(jìn)電機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光伏電池板的自動(dòng)跟蹤控制。系統(tǒng)主要電路模塊包括光照強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換與檢測電路、A/D轉(zhuǎn)換模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊等，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

該控制系統(tǒng)需要提供5V電源，用7.2V飛思卡爾電池提供的穩(wěn)定的7.2V電壓作為電源模塊輸入，選擇LM2940-5.0作為穩(wěn)壓芯片，設(shè)計(jì)7.2V轉(zhuǎn)5V電路，電源模塊輸出電壓5V，并設(shè)計(jì)有電源開關(guān)和電源指示燈，能夠滿足系統(tǒng)對電源的需求。為了提高系統(tǒng)的抗干擾性和電壓的穩(wěn)定性，系統(tǒng)中使用了濾波電容，具體系統(tǒng)電源模塊電路圖如圖2所示[5]。

本設(shè)計(jì)以光敏電阻作為光電轉(zhuǎn)換元件，將光照強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理從而實(shí)現(xiàn)光電信號的轉(zhuǎn)化。本設(shè)計(jì)將兩個(gè)完全相同的光敏電阻安裝在一個(gè)平板的東西方向上，中間用適當(dāng)蓋度的遮板隔開，這個(gè)平板固定在光伏電池板上，光照強(qiáng)度的變化將會(huì)引起光敏電阻阻值的變化。如圖3所示含有光敏電阻的分壓電路使光敏電阻兩端的電壓值發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)將光照強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化[6][7]。

該系統(tǒng)所用步進(jìn)電機(jī)為五線四相步進(jìn)電機(jī)，我們選擇ULN2003達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片單片最多可一次驅(qū)動(dòng)七線步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)然只有四線制也是沒有問題的，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路模塊如圖4所示。

綜合以上設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)電路原理圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，由主程序模塊和子程序模塊組成，子程序主要包括兩個(gè)部分，由A/D轉(zhuǎn)換模塊以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成。

當(dāng)程序開始運(yùn)行后，首先進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入循環(huán)，啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換程序，采集左邊光敏電阻的電壓值number1和右邊光敏電阻的電壓值number2，然后單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)，通過計(jì)算比較左右兩個(gè)光敏電阻的電壓值，控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤。當(dāng)右邊的光敏電阻所受光照強(qiáng)度比左邊大時(shí)，由光敏電阻的工作特性可知，右邊光敏電阻的電阻值會(huì)比左邊小，number1會(huì)大于number2，當(dāng)number1—number2＞12時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，控制太陽能光伏板轉(zhuǎn)向右邊，即光照強(qiáng)度大的一邊，從而使太陽能光伏板垂直對著太陽光線。

當(dāng)右邊的光敏電阻所受光照強(qiáng)度比左邊小時(shí)，右邊光敏電阻的電阻值比左邊大，number2會(huì)大于number1，當(dāng)number2—number1＞12時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，控制太陽能光伏板轉(zhuǎn)向左邊，同樣是光照強(qiáng)度大的一邊，使太陽能光伏板垂直對著太陽光線。

當(dāng)左右邊的光敏電阻所受光照強(qiáng)度差值較小時(shí)，此時(shí)采集到的左右兩個(gè)光敏電阻的電壓值number1和number2也相差較小，當(dāng)|number1—number2|<12時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

主程序的流程圖如圖6所示。

ADC0804為目前常用的A/D轉(zhuǎn)換器，工作的電壓范圍為O～5V，分辨率為8位。ADC0804的工作時(shí)序圖如圖7、圖8所示：

由時(shí)序圖可知，實(shí)現(xiàn)一次ADC轉(zhuǎn)換主要包括啟動(dòng)轉(zhuǎn)換和讀取數(shù)據(jù)兩個(gè)過程。首先是啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，如圖7所示，在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換時(shí)，CS處于低電平，然后WR從高電平變成低電平，經(jīng)過至少tW(WR）I延時(shí)后，再將/WR引腳拉成高電平，即啟動(dòng)了一次AD轉(zhuǎn)換。其中tW(WR）I的最小值應(yīng)為為100ns，具體做法可通過插入_nop_(）語句或者調(diào)用delay(）延時(shí)函數(shù)實(shí)現(xiàn)，不用太精確，只要估計(jì)插入的延時(shí)大于100ns即可，因?yàn)開nop_(）的作用是延時(shí)一個(gè)機(jī)器周期，時(shí)間會(huì)大于100ns。在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換完成之后，進(jìn)行讀取數(shù)據(jù)，如圖8所示，在INTR為低電平的情況下，CS由高電平變成低電平，此時(shí)RD也從高電平變成低電平，在保持tACC的時(shí)長后完成讀取數(shù)據(jù)工作，同樣我們可以利用插入_nop_(）語句，這時(shí)就完成了數(shù)據(jù)讀取工作[8]。

A/D轉(zhuǎn)換程序流程圖如圖9所示。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)給出了光伏電池板跟蹤系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案，根據(jù)左邊光敏電阻的電壓值number1和右邊光敏電阻的電壓值number2之間的差值關(guān)系來決定步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，經(jīng)多次反復(fù)驗(yàn)證，可以確定一個(gè)較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。對于本系統(tǒng)，當(dāng)number1—number2＞12時(shí)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，帶動(dòng)太陽能光伏板轉(zhuǎn)向右邊，從而使太陽能光伏板垂直對著太陽光線；當(dāng)number2—number1＞12時(shí)，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，帶動(dòng)太陽能光伏板轉(zhuǎn)向左邊，使太陽能光伏板垂直對著太陽光線；當(dāng)|number1—number2|<12時(shí)，步進(jìn)電機(jī)不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)試好的系統(tǒng)能滿足光伏電池板實(shí)時(shí)跟蹤太陽的功能，而且結(jié)構(gòu)簡單，性能較穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)的功能，可以作為現(xiàn)實(shí)生活中提高太陽能發(fā)電效率的一種可行方法。

[1]趙春江，楊金煥，陳中華，等.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].節(jié)能技術(shù)，2007，（5）:461-465.

[2]周天沛.全自動(dòng)光伏發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2011，（1）:93-95.

[3]程啟明，程尹曼，汪明媚，等.光伏電池最大功率點(diǎn)跟蹤方法的發(fā)展研究[J].華東電力，2009，（8）:1300-1306.

[4]余海.太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J].新能源研究與利用，2004，（3）：34-37.

[5]National Semiconductor.LM2940手冊[EB/OL].（2003-01-10）[2014-10-02].http://www.alldatasheetcn.com/view.jsp?Searchword=LM2940

[6]張鵬，王興君，王松林.光線自動(dòng)跟蹤在太陽能光伏系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2007，（14）:189-191.

[7]羅清.太陽能電池板跟蹤控制系統(tǒng)改進(jìn)研究[J].湖北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，（5）:62-63.

[8]National Semiconductor.ADC0804手冊[EB/OL].（1999-11-10）[2014-10-02].http://datasheet.soiseek.cn/INTERSIL/ADC0804LCWM/1.html

責(zé)任編輯:陳 鳳

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1672-2868(2014)06-0108-05

投稿日期:2014-10-20

安徽高校省級自然科學(xué)研究項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：KJ2013Z277）；合肥學(xué)院科研發(fā)展基金自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號：13KY01ZD）

丁健(1971-），男，安徽宿州人。合肥學(xué)院電子信息與電氣工程系，副教授，碩士。研究方向：計(jì)算機(jī)控制、嵌入式系統(tǒng)。