基于STC的全自動光伏發電系統

陳沐傈，王靜濤，宋佳音，陶力，楊幟，張政，侯東君

（東北林業大學，黑龍江哈爾濱，150000）

0 引言

隨著科技社會的不斷發展，能源需求不斷提高，致使能源危機成為當今世界面臨的巨大挑戰。較目前來看，化石能源在較長時期內仍然是人類生存和發展的能源基礎，但由于勘探水平、運輸條件、安全因素等多方面的限制使在中長期發展中化石能源有效開發利用量遠遠不足，同時它的利用引起了大量溫室氣體的排放，導致全球氣候變暖。因此，太陽能作為一種新興的可再生能源，被越來越多的國家采用。1990 年德國政府推出了“一千屋頂計劃”，至 1997 年已完成近萬套屋頂系統，每套容量 1～5 千瓦，累計安裝量已達 3.3 萬千瓦；2006年6月，亞美尼亞無線電物理所的專家宣布，已在該國山地開始建造其“第一個小型實驗樣板”型工業太陽能電站；以及我國不斷研制出的主動式雙軸追蹤系統、蝶式聚光主動式雙軸跟蹤器、被動式雙軸跟蹤器和混合式跟蹤器。

然而當前全自動光伏系統機械結構較為復雜，無法實現區域化自動，針對這一現狀，我們設計了一套基于STC12C5A60S2的全自動光伏系統，通過自主測光儀對光照角度進行跟蹤，利用光電傳感器對光照強度的差值比較實現對太陽方位角、高度角的實時檢測，繼而利用無線傳輸將自主測光儀檢測到的兩個角度經無線傳輸控制雙軸太陽能電池板陣列旋轉到最佳方位，最大化提高光電利用率。

1 太陽自動追光檢測系統整體結構

檢測裝置采用5V電源供電，以單片機STC12C5A60S2芯片為核心，控制自主測光儀的邏輯運行。首先照度光電傳感器監測到當前為黑夜時，自主測光儀復位、光伏陣列不工作，單片機發出關機信號；當太陽的照射強度高于預先設定的工作照度時，即白天，控制時鐘DS1302開始計時，自主測光儀運行工作。首先進行方位角跟蹤，當光線垂直照射到扇形外殼底部的光電傳感器時，兩個光電傳感器檢測到的光照強度相同，而當光線偏移則會產生偏差信號，偏差信號通過單片機處理之后轉變為舵機所能接受的脈沖信號，將此脈沖信號傳輸給水平方位角舵機，使其向光照強度數值較小的光電傳感器一側旋轉相應的角度，水平方位角舵機可在0-360°范圍內進行轉動檢測，直到太陽光線與扇形體保持垂直角度，偏差信號也即為零，實現對太陽自東向西的自動追蹤。接下來進行高度角跟蹤，同樣利用偏差原理對自主測光儀的轉筒底部的光電傳感器進行判斷處理，使豎直高度角舵機在0-90°范圍內進行轉動檢測。為了避免自主測光儀頻繁檢測帶來不必要的能量損耗，檢測裝置在時鐘DS1302的控制下，本系統將30分鐘檢測一次。最后經過nRF24L01無線傳輸將方位角、高度角傳輸給雙軸太陽能板陣列，以此實現區域化的光電利用率提高。

圖1 自主測光儀整體結構圖1-轉筒，2-扇形殼，3-豎直高度角舵機，4-軸承，5-底盤，6-底座，7-單片機模塊，8-電源模塊，9-水平方位角舵機

2 太陽自動追光供電系統整體結構

2.1 太陽能電池組陣列

太陽能電池組陣列可實現清潔能源的區域化。利用本文的全自動光伏系統可以為一定區域內使用太陽能的用戶提供最大的電能，也可為高速公路夜行時提供路燈電能，以節省電費損耗，最大化使用綠色能源。

假設用電設備的平均功耗為100W, 整套系統采用24V直流蓄電,再逆變成交流220V供電,每天工作時數8h,保證連續陰雨天數7天。

哈爾濱地區太陽能年輻射總量約為（4680～5040MJ/m2）,經計算其峰值日照時數約為3.45h,經計算負載日耗電量=100÷24×8 ＝ 33.3AH。

所需太陽能組件的總充電電流＝（33.3÷0.9）÷（3.45×0.7）＝15.32A,在這里,逆變器的轉換效率為0.9,太陽能電池組件系統綜合損失系數,0.7為蓄電池充電效率。

太陽能組件的最少總功率數＝17.2×15.32＝264W,所以太陽能電池板設計為 300W,采用24V100W電池板3 塊并聯安裝。

2.2 蓄電池

蓄電池是把電能儲存為化學能，當需要放電時再次把化學能轉換為電能的一種電氣化學設備，也稱二次電池。充電時利用外部的電能使內部活性物質再生，把電能儲存為化學能，需要放電時再次把化學能轉換為電能輸出。

根據上面的計算知道,負載日耗電量為33.3AH。在蓄電池充滿情況下,可以連續工作7個陰雨天,再加上第一個晚上的工作,蓄電池容量＝33.3×（7+1）÷0.8＝333（AH）,0.8 為蓄電池的放電深度,因此選用 12V400AH 的深循環型免維護鉛酸蓄電池2只串聯安裝。

2.3 控制器

太陽能控制器是用于控制多路光伏陣列對蓄電池充電以及蓄電池給太陽能逆變器負載供電的自動控制設備，它對蓄電池的充、放電條件加以規定和控制，進行負載過流及短路保護、防反充功能、太陽能電池反接保護、蓄電池反接保護等功能，并按照負載的電源需求控制太陽電池組件和蓄電池對負載的電能輸出，是整個光伏供電系統的核心控制部分。

本次設計中選擇的太陽能電池板峰值功率為 400W,充電電壓是 24V,通過這個數據可以計算出太陽能充電控制器最大的工作電流是400W÷24V＝16.64,所以太陽能控制器應該選擇24V20A 的控制器。

2.4 逆變器

逆變器是光伏系統必不可少的一部分，主要是把太陽能電池板所發的直流電轉化成家電使用的交流電，太陽能電池板所發的電全部都要通過逆變器的處理才能對外輸出。當工作電流超過額定值 150% 時,逆變器應能自動保護。當電流恢復正常后,設備應能正常工作。本系統的總功率為 100W,考慮到負載啟動的瞬間沖擊電流,逆變器的功率應該選擇為 12V400W。

3 總結

全自動光伏發電系統，以自主測光儀為核心檢測器，根據光電傳感器對光照強度數據的采集形成偏差信號，經過STC12C5A60S2的對偏差信號進行處理，形成MG996舵機可以接受的相應的脈沖信號寬度，不斷通過PWM脈沖輸出控制舵機在水平0-360°和豎直0-90°的角度范圍內監測，減小偏差信號直到光電傳感器數值相同，從而確定太陽的方位角和高度角，進而利用無線傳輸使自主測光儀的舵機角度信號傳送給雙軸太陽能電池板陣列，達到太陽光照垂直照射的角度。該全自動光伏系統大幅提高了區域性光電轉換率，使太陽能在一天內吸收更多的光照并輸出電能供給用電器使用，為新能源的發展開辟了新的發展前景。

參考文獻

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