光伏逆變太陽能自動追蹤系統設計

李慧彤，肖東岳

（南陽理工學院電子與電氣工程學院，河南南陽，473004）

0 引言

目前光伏發電遇到的瓶頸是許多太陽能電池板不能實時追蹤太陽，光照利用率低。同時，太陽能電池板輸出的直流電不能徑直投入到人們的生產生活中。為應對以上問題，將自動追蹤技術，光伏逆變技術和單片機控制結合起來，設計了光伏逆變太陽能自動追蹤系統。

1 光伏逆變太陽能自動追蹤系統總體設計

光伏逆變太陽能自動追蹤系統總體設計結構如圖1所示。

本設計把4個光敏電阻安裝在東南西北四個方向上，電阻檢測太陽的方位并輸出相應的電壓值。再由模數轉換器將接收的信號轉換為數字信號發送給單片機，單片機以此來控制舵機轉向，使太陽能電池板一直追蹤太陽的方向。系統中穩壓電路的作用是將蓄電池的電壓穩定在5V，滿足單片機、模數轉換器、舵機的需求。除此之外，該系統還可以進行光伏逆變。

2 系統各單元硬件選型與設計

2.1 總體硬件設計方案

光伏逆變自動追蹤系統的控制硬件設計主要包括：以STC12C5A60S2為核心控制器的主控電路設計，光敏電阻的檢測電路設計，模數信號轉換電路設計，舵機追蹤的電路設計，OLED顯示屏的外圍電路設計，逆變電路的設計，以及時鐘電路和復位電路的設計[1]。具體硬件設計方案結構圖如圖2所示。

2.2 電源模塊電路設計

蓄電池輸出的電壓在8V左右，要給ADS1118模數芯片、單片機、舵機和顯示屏供電，就需要經過穩壓電路穩壓至5V。降壓電路將太陽能電池板輸出的12V電壓降至5V輸出，給蓄電池和逆變器供電。電源部分還能實現供電智能切換，當光伏電壓在4.5V以上，由太陽能電池板供電；小于4.5V時，自動切換由蓄電池供電。

2.3 光電檢測電路設計

設計中利用4個光敏電阻來采集光強信息。將R1，R2，R3，R4光敏電阻分別置于電池板的北西南東4個方位。當太陽能電池板垂直于太陽時，4個光敏電阻阻值相同，電路輸出為零，舵機不轉動。若陽光發生傾斜，光敏電阻的電壓值不同，出現電位高低差，然后光敏電阻將產生的電位差通過計算轉換為轉動的角度。

2.4 模數信號轉換電路設計

模數轉換電路的作用是將模擬信號轉換成數字信號。電路中運用被稱為最小型的ADS1118模數轉換器。光電轉換部分將接收的光信號轉換為模擬信號，但單片機只能分析數字信號，所以經過模數轉換電路的后輸出數字信號傳送給單片機[2]，單片機接收信號實現控制功能。

2.5 舵機追蹤電路設計

實現太陽能的自動追蹤采用的是舵機和二軸云臺。單片機通過PWM調制的方式控制舵機的運轉，系統運用的舵機是雙軸型的，能夠實現全方位的的太陽追蹤[3]。

2.6 OLED顯示電路設計

設計選用的是OLED顯示屏，0.96的尺寸使電路更加的精簡[4]。顯示屏能顯示光敏電阻的檢測值，蓄電池電壓和太陽能電池板的電壓。

3 系統各單元軟件設計

3.1 主程序設計

程序執行時，首先將數據初始化，以進入等待工作的狀態，最后在主函數里循環執行每一模塊的程序。比如該系統最先由光敏電阻檢測太陽方位，進行電位差比較后輸出信號。這一過程完畢后系統就判斷是否中斷，若繼續工作，則信號傳輸到下個模塊，隨之元件的初始化數據被改變。主程序流程圖如圖3所示。

3.2 自動追蹤程序設計

自動追蹤程序設計的難點在于數據之間的轉換和傳送。程序設計時采用模塊化，首先光敏電阻判斷是否有電位差，若有電位差則轉換成角度值[5]，若無則繼續檢測。函數中主要是讀取ADS1118模數轉換器的數據，然后單片機對接收的數據進行處理，數據處理完畢后傳給舵機，舵機根據數據時刻追隨太陽。自動追蹤的流程圖如圖4所示。

3.3 供電智能切換程序設計

供電智能切換程序設計的難點是兩電源間的連接和自動切換。為實現太陽能電池板和蓄電池間的連接，加入了繼電器。當太陽能電池板有足夠電能時，由太陽能電池板為系統供電。但在光照不足時，無法輸出足夠的電壓，此時繼電器閉合，切換由蓄電池為系統供電。同時蓄電池也為太陽能電池板充電，這樣就實現了不間斷供電。根據實際情況，程序設置了6.5V作為臨界值，其邏輯關系如圖5所示。

4 系統調試

功能測試時，用手機的電筒模擬太陽光。打開系統電源，用電筒照射光敏電阻，發現太陽能電池板按照光的照射移動，實現了太陽能的自動追蹤，總裝置圖如圖6所示。調試后，實現了舵機對太陽方位的雙向追蹤、蓄電池和太陽能電池板供電的智能切換、直流電逆變成交流電三大功能。達到了設計的預期目標，實用性強。但目前本設計仍容易受天氣等外部環境的影響，在未來的設計中可嘗試使用混合型的跟蹤系統，彌補光電式跟蹤在陰雨天不能正常工作的問題。

圖5 供電切換程序流程圖

圖6 總實物圖