李 爭，羅曉瑞，解 波，曹 欣，孫鶴旭

（1.河北科技大學電氣工程學院，河北石家莊 050018；2.河北建投新能源有限公司，河北石家莊 050051）

在“雙碳”目標下，可再生能源的開發(fā)顯得尤為重要。其中，太陽能資源的開發(fā)和利用具有廣闊的發(fā)展前景[1-3]。目前，已投入使用的太陽能設備有很多，如太陽能電池板、太陽能熱水器等，但這類設備的太陽能利用率較低且能量轉(zhuǎn)換效率較低。因此，設計和實現(xiàn)可提升太陽能收集效率的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)尤為重要[4-5]。

為最大化太陽能的利用率，國內(nèi)外學者做了大量研究。例如：羅來武等人[6]研制了跟蹤式聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)；秦佳妮等人[7]對太陽能發(fā)電跟蹤裝置遠程測試系統(tǒng)進行了研究；白濤[8]提出了一種太陽光追蹤照明系統(tǒng)的控制方法；韓悅等人[9]研發(fā)了基于STM32的多功能太陽能追蹤系統(tǒng)。但是，聯(lián)網(wǎng)太陽能光伏發(fā)電技術(shù)發(fā)展緩慢，仍處于初級的實驗研發(fā)階段，尚缺乏能夠大規(guī)模應用的成熟商業(yè)化產(chǎn)品。

綜上，在太陽能發(fā)電的基礎上，結(jié)合最大功率跟蹤原理，筆者提出了一種基于光強感知的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)。首先，對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的工作原理進行分析，并對其總體結(jié)構(gòu)進行設計；然后，根據(jù)太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)對各模塊的功能需求，對系統(tǒng)的硬件設備進行選型并對其軟件進行設計；最后，搭建實驗平臺以進行太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的組裝、調(diào)試，同時開展功能測試來驗證其性能。

1 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)總體設計

基于太陽能板的光伏效應，為實現(xiàn)太陽能利用率的最大化，太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)設有2種工作模式：自動模式和手動模式。在自動模式下，該系統(tǒng)通過光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，由于太陽能板兩側(cè)的光照強度不同，使得兩側(cè)光敏電阻的阻值不同，故太陽能板兩側(cè)的電壓不同，利用電壓比較器可實現(xiàn)太陽能板兩側(cè)光照強度的比較，從而控制步進電機帶動太陽能板向光照強度較強的一側(cè)轉(zhuǎn)動。在手動模式下，使用按鍵或手機APP（application，應用程序）來控制步進電機動作，通過其正向或反向轉(zhuǎn)動來調(diào)節(jié)太陽能板的位置[10-12]。

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的工作原理如下：當系統(tǒng)不需要用電時，若有陽光，則太陽能板吸收光能并跟隨太陽轉(zhuǎn)動，以提高采光效率，光能轉(zhuǎn)化為電能后存儲在鋰電池中。當系統(tǒng)需要用電時，若有陽光，則太陽能板吸收的光能優(yōu)先用于供電，但當太陽能板所吸收光能無法滿足用電需求時，需聯(lián)合鋰電池共同供電；若無陽光，則直接用鋰電池供電。在跟蹤過程中，太陽能板的光照強度和鋰電池的存儲電量在液晶顯示器上實時顯示。同時，在系統(tǒng)控制器的驅(qū)動下，可通過藍牙通信設備將液晶顯示屏上的信息數(shù)據(jù)傳輸至手機APP，利用Android軟件開發(fā)平臺即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程監(jiān)測。在不同的太陽光照強度下，可通過遠程控制切換自動模式和手動模式[13-14]。

基于上述工作原理，結(jié)合模塊化思想對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行總體設計。該系統(tǒng)主要由太陽能采集模塊、電機控制模塊、充電模塊、主控模塊、顯示模塊、手機APP藍牙通信模塊以及A/D（analog/digital，模/數(shù)）轉(zhuǎn)換模塊等組成，其組成框圖如圖1所示[15]。

圖1 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of solar intelligent tracking system

2 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)硬件設備選型

2.1 主控模塊

主控模塊是整個太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的核心，負責調(diào)控電路、執(zhí)行程序和驅(qū)動負載，其主要由復位電路、時鐘電路和電源等組成。鑒于所設計系統(tǒng)的功能較為簡單，對主控模塊的要求不高，而STC89C52單片機價格便宜，編程難度小，因此選取STC89C52單片機作為主控模塊。主控模塊的電路圖如圖2所示。

圖2 主控模塊電路圖Fig.2 Circuit diagram of main control module

2.2 A/D轉(zhuǎn)換模塊

ADC0832芯片具有兩級輸入寄存器，能直接與STC89C52單片機進行通信，且具有體積小、性價比高和兼容性強等特點。因此，選取ADC0832芯片作為A/D轉(zhuǎn)換器，用于配合光敏電阻和電壓比較器實現(xiàn)電壓采集和信號轉(zhuǎn)換。A/D轉(zhuǎn)換模塊的電路圖如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of A/D conversion module

2.3 充電模塊

充電模塊主要由太陽能板、充電電路、鋰電池、自鎖開關(guān)和升壓電路組成。其中，鋰電池的材料為鋰金屬或鋰合金，具有較高的電壓，一般為3.7 V或3.2 V，約是3個鎳鎘電池的串聯(lián)電壓；且其能量密度相對較高，重量較小以及壽命較長，一般可使用6年以上，最多可充放1 000次左右。此外，鋰電池還具有高功率承受力、低自放電、無記憶效應以及溫度適應性強（可適應的溫度范圍為-20～60℃）等優(yōu)勢。綜上，選擇鋰電池作為蓄能電池有顯著優(yōu)勢。

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的工作過程中，有可能會出現(xiàn)鋰電池電量不足的情況。當供電電壓不足5 V時，太陽能板無法對系統(tǒng)供電。因此，添加了一個升壓電路，即將鋰電池的電壓穩(wěn)定升至5 V，以實現(xiàn)穩(wěn)定供電。充電模塊的電路圖如圖4所示。

圖4 充電模塊電路圖Fig.4 Circuit diagram of charging module

2.4 電機控制模塊

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)運行過程中，為了確保太陽能板能一直在最大功率下工作，須使其自主地根據(jù)時刻變化的太陽光進行順時針或逆時針轉(zhuǎn)動，從而始終保持正對太陽光的照射位置。太陽能板的轉(zhuǎn)動主要是通過控制全橋電路上下管的交替導通來使電壓換向，從而驅(qū)動步進電機正向、反向轉(zhuǎn)動來實現(xiàn)的。電機控制模塊的電路圖如圖5所示。

圖5 電機控制模塊電路圖Fig.5 Circuit diagram of motor control module

2.5 太陽能采集模塊

太陽能采集模塊主要由光敏電阻、電壓比較器和發(fā)光二極管（light emitting diode，LED）等組成。其中，電壓比較是太陽能采集過程中最為關(guān)鍵的一環(huán)，故電壓比較器的選擇尤為重要。本文選用LM393電壓比較器，其是一個兩路電壓比較器，通過對輸入端的2個電壓進行比較后，根據(jù)其大小關(guān)系輸出相應的電壓。太陽能采集模塊的電路圖如圖6所示。

圖6 太陽能采集模塊電路圖Fig.6 Circuit diagram of solar energy acquisition module

3 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)軟件設計

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的軟件設計主要包括：主控程序設計、A/D轉(zhuǎn)換程序設計、顯示程序設計和手機APP藍牙通信程序設計[15-17]。鑒于主控程序和A/D轉(zhuǎn)換程序為太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)中最關(guān)鍵的軟件程序，故本文僅對其進行詳細介紹。

3.1 主控程序設計

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的主控程序主要由初始化、數(shù)據(jù)運算、藍牙連接和顯示等4個部分組成，其設計的基本思路如下：首先，對系統(tǒng)進行初始化并定義相關(guān)參數(shù)；然后，檢測太陽能板（始終傾斜于水平線45°）兩側(cè)的電壓并進行比較，當太陽能板一側(cè)的電壓明顯大于另一側(cè)時，利用步進電機帶動太陽能板朝電壓小的一側(cè)轉(zhuǎn)動，以吸收光能并轉(zhuǎn)化為電能存儲在鋰電池中；最后，檢測鋰電池的電壓并顯示在液晶顯示屏上。太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)主控程序的流程如圖7所示。

圖7 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)主控程序流程Fig.7 Main control program flow of solar intelligent tracking system

太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)可通過4個按鍵或4個手機APP指令實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)，其工作流程如下：打開電源，系統(tǒng)默認為自動模式，根據(jù)當前的光照情況自動調(diào)節(jié)太陽能板位置，以實時跟蹤太陽光。當按下按鍵1或通過手機APP發(fā)送“M+回車符”指令時，系統(tǒng)會切換到手動模式，太陽能板不再根據(jù)太陽光照強度自主旋轉(zhuǎn)。當按下按鍵2或通過手機APP發(fā)送“Z+回車符”指令時，太陽能板進行正向旋轉(zhuǎn)；當按下按鍵3或通過手機APP發(fā)送“F+回車符”指令時，太陽能板進行反向旋轉(zhuǎn)；當按下按鍵4或通過手機APP發(fā)送“T+回車符”指令時，太陽能板將吸收的光能存儲到鋰電池中，實現(xiàn)系統(tǒng)的自主供電；同時，將檢測到的電壓值和鋰電池的剩余電量實時顯示在液晶顯示屏或手機APP上。

3.2 A/D轉(zhuǎn)換程序設計

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)中，須將光敏電阻采集的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，該系統(tǒng)采用ADC0832芯片實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，其可同時測量兩路電壓，測量范圍為0～5 V。A/D轉(zhuǎn)換程序流程如圖8所示：在需要測量電壓時，通過串行協(xié)議打開ADC0832芯片片選，并將D0端設為高阻態(tài)；然后，設置ADC0832芯片起始位和雙通道的單極性輸入，當D0端為低電平時，選擇通道0，當D0端為高電平時，選擇通道1；接著，D0端取消高阻態(tài)，準備接收數(shù)據(jù)，通過循環(huán)依次讀取數(shù)據(jù)；最后，在完成數(shù)據(jù)讀取后取消ADC0832芯片片選。

圖8 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換程序流程Fig.8 A/D conversion program flow of solar intelligent tracking system

4 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)調(diào)試與功能測試

4.1 硬件調(diào)試

根據(jù)上述模塊的電路連接原理，對各硬件設備進行焊接，在完成其余模塊與主控模塊的連接后，進行電路連通情況檢查以及功能實現(xiàn)調(diào)試。組裝完成的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)實物如圖9所示[18-19]。

圖9 太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)實物Fig.9 Physical object of solar intelligent tracking system

在太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)硬件調(diào)試階段：

1）在太陽光照較充足的條件下開展現(xiàn)場模擬，若充電不正常，則可能是電壓過大導致穩(wěn)壓二極管燒壞故障，需檢查連接電路并在更換二極管后再次開展實驗[20-21]。

2）在鋰電池充電過程中，若充電電流設置太小，則無法滿足負載流水燈的使用要求，須重新設置充電電流。

3）在調(diào)試單片機時，若單片機無法控制指示燈，則可能是三極管發(fā)射極電壓過高所致。當單片機輸出高電平時，三極管的基極與發(fā)射極的壓差大于0.7 V，仍能導通。因此，需要通過調(diào)節(jié)滑動變阻器來改變?nèi)龢O管發(fā)射極的電壓。

4.2 軟件調(diào)試

軟件調(diào)試是指對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的整個控制流程進行調(diào)試，以使其性能更加完善。

根據(jù)太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)各模塊的功能，對各程度代碼進行編寫、檢查和調(diào)試。通過下載器將編譯好的程序文件下載到單片機存儲器內(nèi)并上電調(diào)試，觀察太陽能板是否能實現(xiàn)太陽光追蹤、鋰電池和太陽能板是否能正常為系統(tǒng)供電以及液晶顯示屏是否能正常顯示。

在軟件調(diào)試過程中，初始設計參數(shù)往往難以滿足系統(tǒng)實際需求，必須通過不斷的調(diào)試來確保系統(tǒng)功能實現(xiàn)。

4.3 整機功能測試

4.3.1 通電檢查

完成軟硬件調(diào)試后，對太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的輸入電壓和各模塊的電壓進行測試，保證電壓正常，且其輸入誤差在允許范圍內(nèi)。

4.3.2 功能檢查

1）太陽能采集功能。

開機后，上電復位，對系統(tǒng)進行初始化，然后利用手電筒對太陽能板左右照射，以模擬時刻變化的太陽光的照射。若太陽能板能隨照射方向轉(zhuǎn)動，則說明太陽能采集功能正常。

2）供電功能。

系統(tǒng)采用太陽能板和鋰電池雙重供電方式，無需外部供電。在系統(tǒng)運行后，將太陽能板放置于黑暗的環(huán)境中，此時若系統(tǒng)仍可正常運行，則說明鋰電池供電正常。將太陽能板置于光照條件下，若液晶顯示屏上實時顯示鋰電池電量增加，則說明太陽能板供電正常。

3）顯示功能。

在系統(tǒng)運行后，對其顯示功能進行測試。在系統(tǒng)運行后，若液晶顯示屏能夠?qū)崟r更新和顯示當前的光照強度和鋰電池的剩余電量（見圖10），則說明其顯示功能正常。

圖10 液晶顯示屏界面Fig.10 Liquid crystal display screen interface

4）手機APP運行功能。

打開手機藍牙，進行配對連接，可通過語音提示確認是否連接成功。嘗試利用藍牙將所檢測的光照強度和鋰電池電量傳輸至手機APP，若能查看液晶顯示屏上的數(shù)據(jù)信息，則說明該APP能夠正常運行。同時，利用手機APP在不同環(huán)境下發(fā)送不同指令，觀察系統(tǒng)能否實現(xiàn)自動模式或手動模式的調(diào)整，若能正常實現(xiàn)切換，則說明遠程控制功能可實現(xiàn)。

4.3.3 功能測試結(jié)果

硬件調(diào)試后，測得太陽能板兩側(cè)的正常電壓為12.87 V。經(jīng)升壓電路后，系統(tǒng)電壓穩(wěn)定為10.16 V，三極管基極的電壓為5.17 V，控制充電電壓為5.03 V，鋰電池充滿后電壓為3.7 V。為驗證所設計太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)勢，特與太陽能固定軸系統(tǒng)進行比較，通過對比不同時刻輸出電壓來判斷其優(yōu)劣。圖11所示為晴天條件下2種太陽能跟蹤系統(tǒng)輸出電壓隨時間的變化情況。由圖可知，隨著太陽光照強度的變化，太陽能固定軸系統(tǒng)和太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)均能夠進行發(fā)電；相較于太陽能固定軸系統(tǒng)，太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)在太陽光捕獲方面更具優(yōu)勢，且其對光照強度的響應更加靈敏，輸出電壓較高。

圖11 太陽能跟蹤系統(tǒng)輸出電壓隨時間的變化情況Fig.11 Change of output voltage of solar tracking system with time

5 結(jié) 論

為解決現(xiàn)實生活中太陽能密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化等問題，設計了一款基于光強感知的太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)，以提高太陽能利用率。經(jīng)過實際驗證，所得結(jié)論如下：

1）基于STC89C52單片機的主控模塊可根據(jù)對不同環(huán)境下光照強度的準確判斷，實現(xiàn)太陽能板對太陽光的智慧追蹤。

2）手機APP可實現(xiàn)遠程控制，整個太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)可在自動模式和手動模式下工作。

3）采用太陽能板與鋰電池相結(jié)合的供電方式，可以提高太陽能的利用率。

4）與太陽能固定軸系統(tǒng)相比，太陽能智慧跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，既能節(jié)約能源，又能提供良好的供電水平，滿足高科技產(chǎn)品的需求，也符合現(xiàn)代能源利用的發(fā)展趨勢。