基于視日運動軌跡與MPPT一體化的光伏自動跟蹤系統方案設計

劉韋辰+何波

為提高光伏自動跟蹤系統的效率，本文設計了一套基于視日運動軌跡與MPPT最大功率跟蹤一體化的光伏自動跟蹤系統。該系統由基于視日運動軌跡的光伏自動跟蹤系統與MPPT最大功率跟蹤系統組成。基于視日運動軌跡的光伏自動跟蹤系統由萬年歷芯片計算出當前時間，并結合當地經緯度，計算出當前位置的太陽朝向和高度，通過單片機驅動兩個電機，可以控制光伏電池板進行雙軸轉動，最終確定電池板接收太陽最佳方位。在實現的上述功能后，通過外接擴展模塊實現了基于MPPT最大功率跟蹤系統，完成最大功率點跟蹤功能。實驗表明，基于視日運動軌跡與MPPT一體化的光伏自動跟蹤系統能在不同天氣狀況下對太陽進行準確跟蹤，不僅能夠自動控制太陽能板，保證太陽能板與太陽光相垂直的情況下，同時實現了MPPT最大功率點跟蹤功能，盡可能多的供給蓄電池。

【關鍵詞】光伏自動跟蹤系統 MPPT 設計

目前，對太陽能的開發利用備受人們的關注，如何提高太陽能利用率成為人們研究的焦點。高效的自動跟蹤系統是提高光伏系統效率的關鍵的第一步。跟蹤太陽的方法可概括為兩種方式：光電跟蹤和根據視日運動軌跡跟蹤。光電跟蹤是由光電傳感器件根據入射光線的強弱變化產生反饋信號到計算機，計算機運行程序調整太陽能板的角度實現對太陽的跟蹤。光電跟蹤的優點是靈敏度高，結構設計較為方便；缺點是受天氣的影響很大，如果在稍長時間段里出現烏云遮住太陽的情況，會導致跟蹤裝置無法跟蹤太陽，甚至引起執行機構的誤動作。而視日運動軌跡跟蹤的優點是能夠全天候實時跟蹤，所以本設計采用視日運動軌跡跟蹤方法和雙軸跟蹤的辦法，利用步進電機雙軸驅動，通過對跟蹤機構進行水平、俯仰兩個自由度的控制，實現對太陽的全天候跟蹤。在實現以上系統的情況下，不考慮使用MPPT最大功率跟蹤系統直接用太陽能板給蓄電池供電，也在現實的情況中是完全可以的，前提是需要匹配好功率，讓蓄電池不至于過充電。另外，當蓄電池充滿時，需要手動斷開充電回路，以免損壞蓄電池。這樣的太陽能蓄電池充電系統，顯得操作繁瑣而且低效，繁瑣在于需要人去觀察電壓電流以及不時轉動太陽能板方向，低效則是因為太陽能板發出的電，并沒有盡可能多的供給蓄電池。因此，本文在實現對太陽能的全天候跟蹤的前提下，設計了MPPT最大功率跟蹤系統，該系統的目的是控制最高電壓，讓蓄電池不至于充壞，又要控制電流，以便讓太陽能板處于最大功率點。

1 系統方案設計

1.1 基于視日運動軌跡法的光伏跟蹤系統方案設計

本設計采用了視日運動軌跡法，由萬年歷芯片計算出當前時間，并結合當地經緯度，計算出當前位置的太陽朝向和高度，結合直流電機與角度檢測電位器，通過STC89C52單片機系統的計算、對比與輸出控制，驅動兩個電機，可以控制光伏電池板進行雙軸轉動，最終確定電池板接收太陽最佳方位。實現了對太陽光的追蹤。具體的系統方案設計框圖如圖1所示。

1.1.1 時間信號的獲取

本設計中，時間信號選擇的是DS1302萬年歷芯片，在選擇高精度晶振的情況下。其每天誤差在3秒以內。對于普通控制系統來說，可以滿足使用要求。另外，系統還具備時間調節功能，這樣可以每隔一定周期手動校正時間。

1.1.2 高度與方位角的計算

要獲取太陽方位，首先要知道當前時間，但是僅知道當前時間是不夠的，因為地球本身是繞太陽公轉，而其自身同時又在繞極軸自轉。因此，地球上的不同地方，在同一時間內，太陽角度也是不一樣的。為了解決這個問題，本設計可以通過修改經緯度。在獲知當地時間和經緯度，由三角函數關系，可以求得當前太陽的方位角和高度角。

1.1.3 實際角度的測量

當我們計算出太陽當前方位角與高度角時，接下來要做的，就是把太陽能板的角度朝向這個方向。那么首先我們要知道目前太陽能板在什么位置，才能決定控制輸出。通過設計在電路板上的兩個三芯插件，連接著電路板上的A/D轉換器TLC1543以及雙軸機械結構上面的電位器。通過設計，電位器的轉軸與電機軸是相連的，這樣電機在轉動時，電位器也會跟著轉動，從而產生不同的電壓值，這個電壓值送入TLC1543進行A/D轉換，從而獲得當前太陽能板的方位角與高度角信號。將測量得到的實際值與計算得到的理論值進行對比，如果值偏大，則控制電機往小的一方轉動，如果偏小，則往大的一方轉動。因為電機轉動時有慣性和沖擊，所以有留有一定余量，否則系統會一直來回轉動個不停。

1.1.4 輸出電機的控制

因為實際角度可能比理論值大，也可能比理論值小。因此，電機既需要可以正轉，又需要可以反轉，而且每天只需要轉動一圈。因此，我們選擇控制性能好，而且電路結構簡單的有刷直流電機。直流電機的控制非常簡單，只需要切換輸入電流方向，即可改變電機的轉動方向。在日常使用中，可以通過改變接線，或者是使用雙擲開關來切換。但是本設計中需要進行自動控制。選擇這些顯然是不合適的。為了滿足這類需要，本設計應用了橋式電路。橋式電路雖然只有正負一種電壓，但是對于接在橋臂上的負載來說，其電流方向是可以變化的。這種電路叫做全橋電路，或者叫H橋電路。H橋電路可以使用6個三極管搭配完成，為了讓電路更加穩定可靠，本設計中選擇了專用直流電機控制芯片L9110，L9110是一種集成式的H橋電路。當改變輸入端電平時，其輸出端電壓也會發生改變。從而驅動電機轉動，達到控制角度的目的。

1.2 基于MPPT最大功率光伏跟蹤系統方案設計

基于MPPT最大功率光伏跟蹤系統由輸出控制電路、電流和電壓檢測電路和微處理器、AD轉換等部分組成。該系統的目的是控制太陽能電池板的最高電壓，讓蓄電池不至于充壞，又要控制太陽能電池板的電流，以便讓太陽能板處于最大功率點。具體的方案設計框圖如圖2所示。

1.2.1 電壓的檢測

電壓檢測電路由分壓電阻與AD轉換電路組成，因為太陽能板和蓄電池的輸出電壓均超過了AD轉換器的輸入電壓（0-5伏），因此需要使用電阻網絡進行分壓，經過 AD轉換器后，并由單片機經過數字轉換，顯示出輸入電壓。

1.2.2 電流的檢測

電流檢測電路由取樣電阻、放大電路及AD轉換器構成。電流檢測首先要通過取樣電阻把電流信號轉換為電壓信號，為了除低損耗，取樣電阻阻值都很小，因此形成的電壓信號也很小，所以需要添加放大電路將信號放大到AD轉換電路可以檢測的幅度，本設計中使用的是MAX4173電流專用取樣芯片，本身自帶20倍放大，精密可靠，且大大簡化了電路結構。送入AD轉換器，獲得光伏板電流信號。電壓與電流相乘即可以獲得當前功率。

1.2.3 輸出電流的控制

為了將太陽能板輸出電壓鎖定在18.5伏附近，我們要對其輸出電流進行控制。在不考慮內阻變化的情況下，輸出電流小了則輸出電壓會升高，反之則會降低。如果使用線性元件如LM317等，雖然也能實現調節電壓電流的功能，但是能量都損耗在調節部分，并不能增加輸出功率。因此我們選擇開關元件來擔當調節電路的核心。近年來出現的開關元件有好多種，其中以凌力爾特和TI為優，但是這兩者價格昂貴，且單片采購不便，本設計選擇市場上極易購得的LM2596作為控制電路的核心元件，LM2596本身就是一個PWM型電源芯片，配合運放LM358和二極管組成的或門電路，可以很好的控制輸出電流。因為此設計中既需要A/D轉換器來檢測電壓電流，又需要一個D/A輸出器來控制輸出電流，為方便設計選擇了PCF8591，其具備4路A/D轉換輸入，且帶一路D/A輸出，滿足實際的需求。

2 應用效果與結論

經過硬件電路設計、軟件設計，以及軟硬件調試，制作出基于視日運動軌跡與MPPT一體化的光伏自動跟蹤系統設備。設備詳見圖3。

基于視日運動軌跡與MPPT一體化的光伏自動跟蹤系統應用：

首先分析下光線夾角與發電電流的關系，如表1所示。

為保證實際一致性，測試時間盡可能短，以保證太陽光功率基本不變，且本次實驗中接入了基于視日運動系統，但不考慮剔除該系統耗電的影響。在光伏板與陽光夾角偏差10度以內，發電電流與呈直角時相差不大。當夾角偏差大于30度時，電流急劇降低。當夾角偏差大于50度時，光伏板發電電流僅為90°角度時候的十分之一左右。

MPPT一體化的光伏自動跟蹤系統使用LM7805降穩壓，這部分電流在分析中應以扣除，因為實際應用中，功率可達幾百上千瓦，而些部分耗電并不會隨系統規模線性增長，可以忽略。實際的測試數據如表2所示。在保持光線夾角為90度的時候，接入了MPPT最大功率跟蹤系統。

本系統在實現對太陽能的全天候跟蹤的前提下， MPPT最大功率跟蹤系統實現了控制最高電壓為18.6V，同時讓電流在0.48A，保證功率為8.92W，比起光伏板與蓄電池直接相連，又容易讓蓄電池充壞，同時還不能控制電流。該系統能實現太陽能板處于最大功率點。

3 結語

基于視日運動軌跡與MPPT一體化的光伏自動跟蹤系統能在不同天氣狀況下對太陽進行準確跟蹤，不僅能夠自動控制太陽能板，保證太陽能板與太陽光相垂直的情況下，同時實現了MPPT最大功率點跟蹤功能，盡可能多的供電給蓄電池。

參考文獻

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作者簡介

劉韋辰（1986-），女，陜西省榆林市人。現就讀西安建筑科技大學信息與控制工程學院，控制理論與控制工程專業研究生。研究方向為光伏跟蹤系統設計與控制算法研究。

作者單位

西安建筑科技大學信息與控制工程學院 陜西省西安市 710055