基于MPPT光伏LED路燈照明自動跟蹤系統設計

張曉春

（銅陵職業技術學院 機械工程系，安徽 銅陵 244061）

能源和環保越來越受到人們的重視。礦物燃料都是不可再生的燃料，且與人類的生存發展都有密切的關系，隨著人們大量地使用礦物能源導致了這些不可再生的能源量急劇減少，從而產生了能源危機。外界條件，如光照強度、溫度等，會使光伏電池產生不同的輸出功率，但每種條件下的每一時刻均存在著功率輸出的最大值，現實應用可通過調整DC/DC變換電路的PWM占空比即可實現光伏陣列最大功率點的跟蹤，這就是MPPT的工作原理。太陽跟蹤系統有多種，如極軸跟蹤、水平跟蹤和與光電相結合的視日跟蹤、赤道跟蹤等。

1 MPPT算法分析

1.1 恒定電壓法（CVT）

CVT通過擬合來實現最大功率點的跟蹤。當環境溫度確定不變時，盡管光照強度隨時間的變化而有不同，但光伏電池的最大功率點卻大約分布于對應電壓所在垂直線的兩側，所以可將不同光強下的最大功率分布情況看作是以電壓為常數的垂線。由此可知CVT方法忽視了環境溫度變化的影響。

1.2 電導增量法

電導增量法利用電導變化量以及瞬時電導的對比來確定參考電壓的變化方向，在最大功率處有：

式中：P為功率（W）；U為電壓（V）；I為電流（A）。

電導增量法通過比較dI/dU和I/U的大小來判斷參考電壓的變化方向，可通過設置一定的閾值使兩者的差別不超過閾值時不改變參考電壓的狀態，以免造成不必要的能力損耗。

1.3 模糊控制法

光伏電池本身進行非線性的工作過程，所以很難用一個確定的數學模型對工作過程進行描述，通常采用模糊控制來解決復雜的、非線性的問題。

雖然模糊控制跟蹤迅速精確，且能夠在基本無波動的情況下達到最大功率點，但模糊控制的控制規則較難確定，需要設計人員有較多的實踐經驗。

2 自動跟蹤系統

跟蹤系統的分類有很多種。常用的跟蹤系統有單軸跟蹤、雙軸跟蹤、視日跟蹤、時控跟蹤等。

（1）單軸跟蹤。單軸跟蹤是指電池板繞一個轉軸旋轉的跟蹤方式。通過調整電池板面向太陽，不偏移太陽正方向，可獲得更多光照。旋轉軸一般按東西方向水平放置，因為太陽在東西方向的運動范圍最大。

（2）雙軸跟蹤。雙軸跟蹤是指電池板有兩個旋轉軸，具有兩個自由度。采用雙軸跟蹤系統可以使電池板作橢圓形的弧線旋轉，其跟蹤精度很高。雙軸跟蹤又可以細分為極軸垣水平軸、極軸垣赤緯軸、天軸垣赤緯軸等。

（3）時控與視日跟蹤。時控跟蹤可快速確定太陽的方位，但跟蹤精度較低。視日跟蹤的跟蹤精度較高，但用于跟蹤的裝置較多，成本較高，視日跟蹤在計算精度不夠時，其控制效果并不理想。

（4）視日與光電跟蹤結合。視日與光電跟蹤相結合的方式是在光照充足時采用光電跟蹤，在光照不足時采用視日跟蹤。這兩種跟蹤發法的接合可彌補兩者的缺點，最大限度地跟蹤太陽，精度也很高。在選擇跟蹤方案時應首先考慮采用雙軸跟蹤實現全天全方位地跟蹤太陽，采用視日跟蹤與光電跟蹤相結合實現最大限度地采集太陽光能源。

3 自動跟蹤裝置系統設計

（1）自動跟蹤裝置的機構設計。自動跟蹤裝置的機械部分主要包括步進電機、齒輪傳動組件、渦輪蝸桿和機架組成，如圖1所示。步進電機驅動小齒輪轉動，小齒輪帶動大齒輪轉動，使電池板能夠全方位地跟蹤太陽。

圖 1 雙軸跟蹤機械結構

電機驅動蝸桿1轉動，電池板與齒輪1固定連接，可以實現垂直方向的轉動。齒輪2與支架固定連接，當電機轉動時帶動蝸桿2轉動，實現水平方向的轉動，實現最大限度地跟蹤太陽。蝸輪蝸桿傳動的傳動比很大、降速快、具有自鎖功能，使功率較小的電機產生比較大的動力。該跟蹤機構相對比較簡單，使用小功率的步進電機就帶動重量較大的電池板，并通過蝸桿渦輪蝸桿裝置實現自鎖。

（2）自動跟蹤裝置的控制系統設計。自動跟蹤裝置的控制系統部分包括：單片機微控制器、電源和復位模塊、輸出驅動模塊、硬件電路保護模塊、時鐘電路、溫度采集模塊、蓄電池電壓采集模塊、蓄電池電流采集模塊、電池板輸出電壓采集模塊、電池板輸出電流采集模塊。

微控制器是整個控制系統的控制核心，可采用8051單片機、STM32單片機等控制器。電源與復位模塊用于給系統提供電能與系統復位，使系統在發生故障時能夠重新啟動。輸出驅動模塊用于給步進電機提供驅動，實現電池板的雙軸轉動。硬件電路保護模塊用于保護系統中的硬件，避免產生硬件燒壞等故障。溫度采集模塊用于采集蓄電池的溫度數據，提高蓄電池的使用壽命。電壓與電流采集模塊用于采集電池板與蓄電池的電壓與電流數據，得到電池板與蓄電池功率等數據。

4 結語

礦物能源正在急劇減少，節能、綠色、環保等概念越來越引起人們的重視。太陽能路燈是利用太陽能可再生能源為人類服務的綠色裝置。如何設計與控制自動跟蹤裝置直接影響著太陽能路燈的利用效率。MPPT理論為蘊ED路燈高效利用太陽能提供了方法論基礎，通過一定的自動跟蹤裝置，如雙軸跟蹤與視日跟蹤和光電跟蹤相結合，可實現電池板全方位地跟蹤太陽，從而能夠得到更多的光能。文章分析了MPPT算法理論與多種自動跟蹤裝置，并介紹了雙軸自動跟蹤裝置的機械結構與電氣控制系統，為從事蘊ED路燈自動跟蹤系統設計的人員提供了參考。

參考文獻

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