光伏發(fā)電自動(dòng)向日雙軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

徐志偉 晁碩 葉響 陳運(yùn) 戴寅松 馬思宇 徐長(zhǎng)帥

摘 要：文章設(shè)計(jì)了一種雙軸光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)，利用4個(gè)光敏傳感器采集光照強(qiáng)度，將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸入單片機(jī)，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制雙軸電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板自動(dòng)對(duì)光跟蹤。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；太陽(yáng)追蹤；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)能源主要依靠礦物燃料，使用時(shí)產(chǎn)生大量的溫室氣體和有害物質(zhì)，破壞生態(tài)環(huán)境，并且這些礦物燃料作為不可再生資源，終將枯竭。太陽(yáng)能作為自然資源，因其清潔環(huán)保、儲(chǔ)量豐富、可再生的特性，得到很多國(guó)家的廣泛關(guān)注。但是，太陽(yáng)能是一種非集中式、隨時(shí)間變化的能源[1]，這影響了太陽(yáng)能的開(kāi)發(fā)和使用，提高太陽(yáng)能資源的使用效率成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)。太陽(yáng)光線與光伏板的角度是影響太陽(yáng)能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素，傳統(tǒng)的光伏板的方向固定不變，導(dǎo)致了發(fā)電效率低[2]。本文設(shè)計(jì)了一種光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)，該系統(tǒng)能自動(dòng)跟蹤光線，提高了發(fā)電效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1是系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，主要模塊包括光電轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換，單片機(jī)控制，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等。具體方案是光線照在4個(gè)光敏傳感器上，光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓值，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后電壓采樣后輸入單片機(jī)，經(jīng)處理后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使太陽(yáng)板始終與太陽(yáng)光線垂直[3]。

2 實(shí)現(xiàn)方案

2.1 光電轉(zhuǎn)換電路

圖2為光敏傳感器分布圖，本設(shè)計(jì)一共有上下左右4個(gè)光敏傳感器，在光照下就會(huì)產(chǎn)生電壓，當(dāng)光線集中在上面的光敏傳感器時(shí)，這時(shí)，上邊電壓U3大于下邊電壓U4，單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)芯片水平電機(jī)朝著上方轉(zhuǎn)動(dòng)。同理，當(dāng)有較大的光照強(qiáng)度在左側(cè)光敏傳感器時(shí)，左邊電壓大于右邊電壓，方位電機(jī)朝著左側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)。總之光伏板總是朝著光強(qiáng)度高的區(qū)域旋轉(zhuǎn)[4]。

2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

圖3為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換電路包括信號(hào)輸入部分，模數(shù)轉(zhuǎn)換部分、模數(shù)電壓采樣和信號(hào)輸出部分。

2.3 單片機(jī)控制電路

圖4為單片機(jī)最小系統(tǒng)。選用STC89C51單片機(jī)，LED1和LED2是兩個(gè)指示燈分別代表自動(dòng)模式和手動(dòng)模式；TX，RX是指串口通信接口即程序下載接口；KEY1-KEY5是代表5個(gè)按鍵，其中一個(gè)是手動(dòng)和自動(dòng)模式之間的切換，另外4個(gè)是手動(dòng)模式下，手動(dòng)控制電機(jī)的上下左右4個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)[5]。

2.4 步進(jìn)電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路

本系統(tǒng)選用28BYJ-48型電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)輸入控制脈沖后即可轉(zhuǎn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)芯片采用的是ULN2803，ULN2803與步進(jìn)電機(jī)的電路原理圖如圖5所示。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導(dǎo)通工作。

2.5 單片機(jī)外圍電路

2.5.1 按鍵電路

圖6為按鍵電路。S1是手動(dòng)和自動(dòng)模式之間的切換，默認(rèn)為自動(dòng)模式，S2，S3，S4，S5是手動(dòng)模式下，利用手動(dòng)按鍵來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2.5.2 指示燈電路

圖7為指示燈電路，系統(tǒng)默認(rèn)為自動(dòng)模式，接通電源后LED1亮，當(dāng)按下S1按鍵時(shí)，切換成手動(dòng)模式，LED2亮。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序模數(shù)轉(zhuǎn)換

光電轉(zhuǎn)換的電壓值輸入到AD模塊后，經(jīng)過(guò)PCF8951芯片里的電壓采樣，最后輸出數(shù)字信號(hào)，再把信息傳送給單片機(jī)，從而控制步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)[6]。流程如圖8所示。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路子程序

本設(shè)計(jì)共上下左右4個(gè)光敏傳感器，在光照下就會(huì)產(chǎn)生電壓，上邊電壓大于下邊電壓，或者手動(dòng)模式下按下向下的按鍵，水平電機(jī)反轉(zhuǎn)，若下邊電壓大于上邊電壓，或者手動(dòng)模式下按下向上的按鍵，水平電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，左邊電壓大于右邊電壓，或者手動(dòng)模式下按下向右的按鍵，方位電機(jī)右轉(zhuǎn)，若右邊電壓大于左邊，或者手動(dòng)模式下按下向左的按鍵，方位電機(jī)左轉(zhuǎn)。

4 系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)搭建

機(jī)械部分由光伏板、旋轉(zhuǎn)軸、步進(jìn)電機(jī)和支架構(gòu)成。跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)用螺絲將控制方位的步進(jìn)電機(jī)固定在底座上，然后在步進(jìn)電機(jī)上安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸和固定水平方向步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝太陽(yáng)板和光敏傳感器等部件。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)一個(gè)光伏發(fā)電自動(dòng)向日雙軸跟蹤系統(tǒng)，光線照在4個(gè)光敏傳感器上，光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)換為電壓值，輸入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后電壓采樣后輸入單片機(jī)，經(jīng)處理后通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制步進(jìn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，使太陽(yáng)板始終與太陽(yáng)光線垂直，從而提高了發(fā)電效率。

[參考文獻(xiàn)]

[1]JERIN K T，ANDREW K N.Design and development of an automatic solar tracker[J].Energy Procedia，2017（143）：629-634.

[2]YASSER M，SAFAN S，SHAABAN，et al.Performance evaluation of a multi-degree of freedom hybrid controlled dual axis solar tracking system[J].Solar Energy，2018（170）：576-585.

[3]HASSAN F.Comparative study between two novel sensorless and sensor based dual-axis solar trackers[J].Solar Energy，2016（138）：67-76.

[4]張曉軍，楊家強(qiáng)，汪俊杰.復(fù)合式太陽(yáng)能跟蹤控制器的設(shè)計(jì)[J].機(jī)電工程，2018（6）：649-652.

[5]張曉春.基于MPPT光伏LED路燈照明自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī)，2018（2）：134，144.

[6]李樹(shù)成.太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的原理和應(yīng)用[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2018（2）：31-32.

Abstract：This paper designs a two-axis photovoltaic power generation tracking system， which uses four photosensitive sensors to collect the light intensity， converts the light intensity into a digital signal input to the single chip microcomputer， and controls the rotation of the two-axis motor by the motor drive circuit to realize the automatic light-on of the solar panel track.

Key words：photovoltaic power generation； solar tracking； single chip microcomputer； stepper motor