光伏电池板跟踪系统的设计

2014-06-01丁健王俊

巢湖学院学报 2014年6期

关键词：光敏电阻低电平电池板

丁健王俊

(合肥学院电子信息与电气工程系，安徽合肥 230601）

光伏电池板跟踪系统的设计

丁健王俊

(合肥学院电子信息与电气工程系，安徽合肥 230601）

对以STC89C52单片机作为控制器的光伏电池板跟踪系统进行了研究。系统通过光伏电池板自动跟踪太阳光，使光伏电池板尽可能与入射光线成直角，从而使光伏电池板获得较高的集光效率。为此，利用光敏电阻实现光电信号的检测，设计了光敏电阻分压电路，将采集到的电压信号经A/D转换后送给单片机处理，通过控制步进电机的运行，从而实现光伏电池板的自动跟踪控制。经验证，本系统能满足光伏电池板实时跟踪太阳的功能，而且结构简单，性能较稳定。

光伏；跟踪；光敏电阻；电池板

1 前言

随着人类对能源需求的日益增加，化石能源的储量正日趋枯竭，大量使用化石燃料己经为人类生存环境带来了严重的后果。大力发展可再生能源对保障世界各国能源安全、改善环境保护、增加各国就业都起了重要作用。因此，可再生能源的开发越来越受到各国的重视[1]。如今，可再生能源已经在世界能源消费中占据了重要地位，在发电、供热(制冷）、交通等各个领域得到了广泛应用。

太阳能相对于其他资源和能源而言，它具有清洁、经济、无污染[2]。当前，光伏产业得到了迅速发展，然而，光伏电池板利用效率不高。通过光伏电池板自动跟踪太阳光，使光伏电池板尽可能与入射光线成直角，从而使太阳能电池板获得更高的集光效率，是高效利用太阳能的一个解决方案[3]。

目前，太阳能电池板安装大多数是固定的，而太阳的位置是不断变化的，光伏电池板与入射光线之间的夹角发生变化，从而导致转换效率不高。太阳能电池板如能跟踪太阳光就能够产生更多的能量。据实验，在太阳能光伏发电中，采用自动跟踪太阳光，能够比太阳能电池板固定时的发电量增加35%[4]。

2 系统的硬件设计

该系统选择STC89C52作控制器，以光敏电阻作为实现光电转换的元器件，利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理实现光电信号的转化。将两个完全相同的光敏电阻分别放置在电池板东西方向上两个不同的位置，利用分压电路将光照强度的变化转换成电压的变化，将采集到的两路电压信号经A/D转换变为数字信号后直接送给单片机处理，然后通过由ULN2003芯片构成的步进电机驱动电路，控制步进电机的正向和反向旋转，从而实现光伏电池板的自动跟踪控制。系统主要电路模块包括光照强度信号转换与检测电路、A/D转换模块、电机驱动模块和电源模块等，系统控制结构框图如图1所示。

该控制系统需要提供5V电源，用7.2V飞思卡尔电池提供的稳定的7.2V电压作为电源模块输入，选择LM2940-5.0作为稳压芯片，设计7.2V转5V电路，电源模块输出电压5V，并设计有电源开关和电源指示灯，能够满足系统对电源的需求。为了提高系统的抗干扰性和电压的稳定性，系统中使用了滤波电容，具体系统电源模块电路图如图2所示[5]。

本设计以光敏电阻作为光电转换元件，将光照强度的变化转换为电压的变化，利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理从而实现光电信号的转化。本设计将两个完全相同的光敏电阻安装在一个平板的东西方向上，中间用适当盖度的遮板隔开，这个平板固定在光伏电池板上，光照强度的变化将会引起光敏电阻阻值的变化。如图3所示含有光敏电阻的分压电路使光敏电阻两端的电压值发生变化，从而实现将光照强度的变化转换成电压的变化[6][7]。

该系统所用步进电机为五线四相步进电机，我们选择ULN2003达林顿驱动芯片，该芯片单片最多可一次驱动七线步进电机，当然只有四线制也是没有问题的，步进电机驱动电路模块如图4所示。

综合以上设计，整个系统电路原理图如图5所示。

3 系统的软件设计

本控制系统的软件设计采用模块化设计，由主程序模块和子程序模块组成，子程序主要包括两个部分，由A/D转换模块以及步进电机驱动模块组成。

当程序开始运行后，首先进行初始化，然后进入循环，启动A/D转换程序，采集左边光敏电阻的电压值number1和右边光敏电阻的电压值number2，然后单片机读取数据，通过计算比较左右两个光敏电阻的电压值，控制步进电机正反转从而实现实时跟踪。当右边的光敏电阻所受光照强度比左边大时，由光敏电阻的工作特性可知，右边光敏电阻的电阻值会比左边小，number1会大于number2，当number1—number2＞12时，单片机控制步进电机正转，控制太阳能光伏板转向右边，即光照强度大的一边，从而使太阳能光伏板垂直对着太阳光线。

当右边的光敏电阻所受光照强度比左边小时，右边光敏电阻的电阻值比左边大，number2会大于number1，当number2—number1＞12时，单片机控制步进电机反转，控制太阳能光伏板转向左边，同样是光照强度大的一边，使太阳能光伏板垂直对着太阳光线。

当左右边的光敏电阻所受光照强度差值较小时，此时采集到的左右两个光敏电阻的电压值number1和number2也相差较小，当|number1—number2|<12时，步进电机不会转动。

主程序的流程图如图6所示。

ADC0804为目前常用的A/D转换器，工作的电压范围为O～5V，分辨率为8位。ADC0804的工作时序图如图7、图8所示：

由时序图可知，实现一次ADC转换主要包括启动转换和读取数据两个过程。首先是启动转换，如图7所示，在启动转换时，CS处于低电平，然后WR从高电平变成低电平，经过至少tW(WR）I延时后，再将/WR引脚拉成高电平，即启动了一次AD转换。其中tW(WR）I的最小值应为为100ns，具体做法可通过插入_nop_(）语句或者调用delay(）延时函数实现，不用太精确，只要估计插入的延时大于100ns即可，因为_nop_(）的作用是延时一个机器周期，时间会大于100ns。在启动转换完成之后，进行读取数据，如图8所示，在INTR为低电平的情况下，CS由高电平变成低电平，此时RD也从高电平变成低电平，在保持tACC的时长后完成读取数据工作，同样我们可以利用插入_nop_(）语句，这时就完成了数据读取工作[8]。

A/D转换程序流程图如图9所示。

4 总结

本设计给出了光伏电池板跟踪系统的软硬件设计方案，根据左边光敏电阻的电压值number1和右边光敏电阻的电压值number2之间的差值关系来决定步进电机的正反转，经多次反复验证，可以确定一个较为准确的数据。对于本系统，当number1—number2＞12时，步进电机正转，带动太阳能光伏板转向右边，从而使太阳能光伏板垂直对着太阳光线；当number2—number1＞12时，步进电机反转，带动太阳能光伏板转向左边，使太阳能光伏板垂直对着太阳光线；当|number1—number2|<12时，步进电机不会转动。调试好的系统能满足光伏电池板实时跟踪太阳的功能，而且结构简单，性能较稳定，达到了预期设计的功能，可以作为现实生活中提高太阳能发电效率的一种可行方法。

[1]赵春江，杨金焕，陈中华，等.太阳能光伏发电应用的现状及发展[J].节能技术，2007，（5）:461-465.

[2]周天沛.全自动光伏发电装置的设计[J].自动化技术与应用，2011，（1）:93-95.

[3]程启明，程尹曼，汪明媚，等.光伏电池最大功率点跟踪方法的发展研究[J].华东电力，2009，（8）:1300-1306.

[4]余海.太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J].新能源研究与利用，2004，（3）：34-37.

[5]National Semiconductor.LM2940手册[EB/OL].（2003-01-10）[2014-10-02].http://www.alldatasheetcn.com/view.jsp?Searchword=LM2940

[6]张鹏，王兴君，王松林.光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用[J].现代电子技术，2007，（14）:189-191.

[7]罗清.太阳能电池板跟踪控制系统改进研究[J].湖北工业大学学报，2013，（5）:62-63.

[8]National Semiconductor.ADC0804手册[EB/OL].（1999-11-10）[2014-10-02].http://datasheet.soiseek.cn/INTERSIL/ADC0804LCWM/1.html

责任编辑:陈凤

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1672-2868(2014)06-0108-05

投稿日期:2014-10-20