劉明陽

摘 要：光伏能源是一種發(fā)電新能源，具有高清潔度、高再生的特點，在能源緊張的當(dāng)代其應(yīng)用價值極高。目前，光伏能源發(fā)電主要利用光伏設(shè)備來實現(xiàn)，但在初期應(yīng)用過程中，人們發(fā)現(xiàn)，太陽光的移動會決定光伏設(shè)備的發(fā)電效率，即太陽光直射光伏設(shè)備時，發(fā)電效率將達到最高。因此，為了保障光伏發(fā)電效率，本文提出了一種基于單片機的太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：單片機;太陽能;智能追光系統(tǒng)

中圖分類號：TM615文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2018）26-0132-03

基于單片機的太陽智能追光系統(tǒng)設(shè)計，需要根據(jù)光伏發(fā)電裝置的不同做出調(diào)整，因此，本文首先參考前人研究介紹了兩類常見的光伏發(fā)電系統(tǒng)，即普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)、槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)，以保障本文研究分析的全面性、針對性，然后針對兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)提出針對性的單片機下太陽能智能追光系統(tǒng)的設(shè)計方案，同時對兩種設(shè)計方案的功能進行簡要概述。

1 光伏發(fā)電系統(tǒng)概述

1.1 普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)

普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)是一種應(yīng)用較為廣泛的傳統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)，其主要由太陽能電池陣列、蓄電池組、充放電控制器、逆變器、交流配電柜組成。其中，太陽能電池只要在有光照射的前提下，就會產(chǎn)生光能吸收效應(yīng)，吸收之后電池兩端出現(xiàn)異號電荷的積累，此時即實現(xiàn)了光轉(zhuǎn)電的目的。而單個太陽能電池的光能吸收及轉(zhuǎn)化的效率是有限的，未必能滿足供電需求，因此需要通過太陽能電池陣列來提高效率。蓄電池是電池中的一種，能把有限的電能儲存起來，在合適的地方使用。因為單個蓄電池的電能容量是有限的，所以需要通過增加其數(shù)量來提高容量。充放電控制器是一種控制蓄電池組電能充、放及程度的重要設(shè)備，該設(shè)備首先能從蓄電池組中調(diào)用電能并傳輸?shù)焦╇娗乐?，其次能將太陽能電池產(chǎn)生的電能灌輸?shù)叫铍姵刂校罱K可以控制充、放電的程度，而這有利于延長蓄電池的使用壽命。逆變器是一種將直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娔艿难b置。因為蓄電池中儲存的電能為直流電，不可直接應(yīng)用，所以在供電渠道的前端，需要設(shè)置逆變器，當(dāng)直流電能通過逆變器之后，就會被轉(zhuǎn)換為交流電。交流配電柜主要輔助逆變器來進行電流轉(zhuǎn)換，同時還能對線路的電能量進行統(tǒng)計[1]。

1.2 槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)

槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)主要是利用太陽能中的熱能來實現(xiàn)發(fā)電。槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)中最核心的組件為槽式聚光鏡，當(dāng)太陽光照射到聚光鏡上時會凝聚成一條線，在此之后利用線上的管狀集熱器來吸收線上的太陽能，吸收到的太陽能將會被傳輸?shù)綗峁べ|(zhì)中進行加熱，此時利用蒸汽動力來實現(xiàn)循環(huán)發(fā)電。槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然相對少見，但該系統(tǒng)具有巨大的潛在的發(fā)電能力，要遠(yuǎn)超普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)。例如，在某實例槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)中，通過測試了解到，其能滿足800MW太陽能光熱電站對建設(shè)的需求[2，3]。

2 普及性光伏發(fā)電系統(tǒng)單片機太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計

2.1 設(shè)計方案

為了實現(xiàn)設(shè)備自動追光的功能，本設(shè)計將利用太陽光熱能作為功能基礎(chǔ)條件。設(shè)計方案主要可以分為3個部分，即硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、充放電設(shè)備設(shè)計。圖1為本文設(shè)計的模型圖。

2.2 硬件設(shè)計

主要采用STC12C5A60S2單片機進行設(shè)計。在設(shè)計過程中，選擇四象限法來設(shè)計光敏電阻采集光信號分布。此時，光能產(chǎn)生的電能會傳輸?shù)絾纹瑱C中，單片機帶有10位A/D轉(zhuǎn)換和抗干擾濾波電路，而利用這兩項電路能實現(xiàn)不同電能電壓的比較。然后，采用PWM波驅(qū)動舵機來實現(xiàn)太陽能電池陣列的轉(zhuǎn)動，PWM波驅(qū)動舵機的供電電路，本文采用LM7805三端穩(wěn)壓集成芯片，此電路除了具備供電功能以外，還具備穩(wěn)壓調(diào)壓功能。在轉(zhuǎn)動中，本文利用光敏電阻的光照強度對比原理，設(shè)計了轉(zhuǎn)動規(guī)則，即當(dāng)光敏電阻的光照強度與設(shè)置強度基本一致時即可。為了滿足轉(zhuǎn)動條件，采用DS18SB20溫度傳感器來實現(xiàn)溫度監(jiān)測。此外，通過DS18SB20溫度傳感器還能避免太陽能電池陣列溫度過高而導(dǎo)致輸出功率下降的問題，即當(dāng)檢測到溫度大于45℃時，將驅(qū)動直流電機，帶動降溫設(shè)備進行降溫。

2.3 軟件設(shè)計

主要利用Kei5來進行編程設(shè)計。在編程過程中，主要選用電壓比較算法、智能算法。在兩種算法的結(jié)合下，能智能地對太陽的高度、太陽角度進行計算，以此可以避免太陽能利用效率變化不明顯的現(xiàn)象。此外，編程與算法的效率高，能夠使太陽能電池陣列的反應(yīng)速度大幅度提高，在短時間內(nèi)即可自動轉(zhuǎn)到光照強度的最高區(qū)域。

2.4 充放電設(shè)備設(shè)計

主要采用PWR2.5標(biāo)準(zhǔn)充電口。此充電口的介入，實現(xiàn)了追光系統(tǒng)的雙電源供給，避免在某些特殊情況下，因為電池沒電使追光系統(tǒng)無法進行運作的“窘境”。

3 槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)單片機太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計

鑒于槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)的特點，本文采用AVR單片機來進行追光控制系統(tǒng)設(shè)計。設(shè)計方案主要包括機械系統(tǒng)設(shè)計、硬件系統(tǒng)設(shè)計和軟件系統(tǒng)設(shè)計三個部分。其中，機械系統(tǒng)設(shè)計要能滿足追光系統(tǒng)自動化運動的條件;硬件系統(tǒng)主要受軟件系統(tǒng)的控制，驅(qū)動機械設(shè)備實現(xiàn)運動，同時對光能數(shù)據(jù)進行管控，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)杰浖到y(tǒng)中;軟件系統(tǒng)主要控制硬件系統(tǒng)，同時根據(jù)硬件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來決策控制指令。圖2為槽式光伏發(fā)電系統(tǒng)追光系統(tǒng)實例圖。

3.1 機械系統(tǒng)設(shè)計

機械系統(tǒng)主要包括聚光拋物面、活動支架、固定支架、推桿電機4項機械系統(tǒng)，具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

從圖3可知，活動支架是整體設(shè)計的主要軀干，其主要與聚光拋物面、推桿電機相互連接。在與聚光拋物面連接過程中，活動支架能圍繞聚光拋物面進行焦點旋轉(zhuǎn)。由此說明，無論太陽光照的角度如何變化，360°焦點旋轉(zhuǎn)都能滿足系統(tǒng)運動的需求。在與推桿電機連接時，推桿電機是驅(qū)動活動支架的動力裝置，受硬件系統(tǒng)的控制。此外，在固定支架方面，其同樣受到硬件系統(tǒng)的控制，控制規(guī)則為：當(dāng)活動支架在運動時，固定支架不發(fā)揮功能，當(dāng)活動支架運動停止時，固定活動支架。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

硬件系統(tǒng)設(shè)計主要包括太陽位置檢測設(shè)備設(shè)計、單片機電路設(shè)計、電機控制設(shè)計3個部分，下文將對此進行逐一分析。圖4為硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖。

3.2.1 太陽位置檢測設(shè)備設(shè)計。太陽位置檢測設(shè)備主要由4個光敏電阻、1個擋光板組成。設(shè)計過程中，首先將4個光敏電阻分別布設(shè)在擋光板的四角周邊，其中1號光敏電阻與4號光敏電阻將遠(yuǎn)離擋光板，并呈45°角分別向西、東兩個方面擺放，而2號、3號光敏電阻將緊貼擋光板，并呈90°安裝。4塊光敏電阻的安裝，可以囊括太陽光照移動的所有路徑，實現(xiàn)各角度光能接受。

3.2.2 單片機電路設(shè)計。鑒于本文所采用AVR單片機硬性需求，主要選擇了兩個I/O引腳輸出高低電平控制繼電器，在兩個繼電器的電路傳輸下，實現(xiàn)單片機的運作。

3.2.3 電機控制設(shè)計。選用24V直流電機作為推桿電機，以此來控制設(shè)備根據(jù)陽光轉(zhuǎn)動，電機的兩極分別與繼電器的輸出引腳相連。

3.3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

采用相關(guān)電機控制軟件來實現(xiàn)系統(tǒng)控制。為了保障控制的精確性，本文將對軟件的控制規(guī)則進行設(shè)計。設(shè)計過程中主要考慮天氣因素，將各類天氣因素下太陽光照狀態(tài)分為4個等級，即無光、上方、左方、右方。在各等級之下，依靠太陽位置檢測設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸，可以使軟件了解當(dāng)前太陽光的狀況，之后軟件將根據(jù)狀況條件，自動切換控制狀態(tài)，以此使設(shè)備進行轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)追光目的。

4 結(jié)語

太陽能是一種應(yīng)用價值極高的新型能源，因此其具有較高的應(yīng)用價值。但是，太陽光光伏發(fā)電的效率會因為太陽光的強度出現(xiàn)漲落，因此，為了保持發(fā)電效率處于高峰狀態(tài)，需要構(gòu)建太陽能智能追光系統(tǒng)。本文主要針對當(dāng)前常見的兩種光伏發(fā)電模式，圍繞單片機進行太陽能智能追光系統(tǒng)設(shè)計。兩項設(shè)計方案的相同點在于都采用了硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，不同點在于充放電設(shè)備設(shè)計、機械系統(tǒng)設(shè)計，這表明前者設(shè)計是以光伏系統(tǒng)本身為基礎(chǔ)的，后者則通過機械設(shè)備來實現(xiàn)運作。

參考文獻：

[1]李仁浩，龔思敏，楊帆，等.基于單片機控制太陽能智能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器，2015（4）：51-53.

[2]張煥梅，郭蕓俊.基于單片機的太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[J].機械工程與自動化，2017（2）：178-179.

[3]陳天元，沈超，夏咸武.基于單片機的雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].信息技術(shù)，2016（4）：60-63.