东北农户屋顶太阳能发电系统设计

张艳丽， 牛国玲， 姜永成， 王 震， 边 泽

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007)



东北农户屋顶太阳能发电系统设计

张艳丽， 牛国玲*， 姜永成， 王 震， 边 泽

(佳木斯大学机械工程学院，黑龙江佳木斯 154007)

为了提高太阳能发电的效率和太阳能发电系统的自动化程度，根据东北农户的特点，设计了可以自动追踪日光的太阳能发电自动控制系统。设计共分为三大部分，分别为太阳能发电系统、向光追日控制系统、自动清理系统。详细介绍了太阳能发电系统的基本组成和工作原理， 给出了具体的设计方案。该系统自动化程度较高，并且满足了东北农户的能源需求，具有广泛推广的价值。

可再生能源；太阳能；自动化；除尘

目前，国外利用太阳能发电已经得到了很大的发展，并且掌握太阳能光伏电池所需的多晶硅提纯的核心技术，但是在我国，利用太阳能发电才刚刚起步，并没有良好的市场环境和行业标准，光伏发电的成本比一般发电成本高数倍，没有达到自动化的程度。如果引进国外的自动化技术，其设备不能满足我国各个地区的使用环境。因此，提高新型能源的利用效率、减少化石类能源的消耗、改善生活环境，必须发展太阳能发电的自动化技术，提高能源的利用率。因此，笔者设计了在东北农户屋顶上进行可以追踪太阳的太阳能发电自动控制系统。该设计中，在追踪日光方面，可采用集成放大电路为控制核心，它具有外接元件少、组成的电路结构清晰易懂、集成度高、功耗小、可靠性高、易于大规模生产、价格低廉等特点。在清理方面，可采用继电器控制电动机正反转来带动清雪板使其达到自动清雪的效果。该系统不仅操作简单而且有效地提高了能源的利用率，具有一定的自动化程度，适合于东北地区使用。

1　太阳能发电控制系统总体分析

1.1总体方案系统总体可分为三大部分。第1部分为太阳能发电系统，包括太阳能发电组件。第2部分为向光追日控制系统，包括太阳能自动跟踪控制器、电机驱动、电机。第3部分为自动清洁除尘系统。

太阳能发电系统中，其核心是太阳能电池板，采用的是光电直接转换方式，原理是光电效应，可以直接将太阳照向太阳能电池板上的辐射能转换成电能，并通过蓄电池储存起来。

在向光追日控制系统中，利用太阳能自动跟踪控制器来对太阳光照强度进行采集，并将采集的数据进行对比分析，同时向电机驱动发出信号改变脉冲频率，达到控制电机正反转的目的，使太阳能发电板一直面向太阳。

在自动清洁控制系统中，采用继电器连接控制电机正反转来控制清雪板，实现对太阳能发电板的清洁。

1.2控制系统设计原则根据东北地区农村冬天的特点，以及冬天能源更加缺乏的问题，所建立的系统应该遵循5个原则：①简单。即要求安装与操作简单。在设计系统的时候，要充分考虑到使用者东北农户的知识范围以及系统的复杂度，降低使用的难度，让对此类知识不熟悉的人也能快速地学会它的使用方法，并能灵活区分，增强系统的推广价值，以达到设计的目的。②可靠。可靠性是衡量系统设计成败的一个重要的设计指标，器件的可靠性和系统的可靠性要兼具。如果可靠性低则势必会影响到追踪日光的准确性，所以，为了保证可靠性，就要严格挑选器件，符合系统的要求，选用可靠性高的器件;在设计电路的时候，要充分考虑好器件的电器特性，合理的布线，准确地安装与调试。③合适。在选择电子器件的时候，不能仅关注器件的性能，还要根据实地环境的情况来选择适宜的器件，选择器件要按照以下要求:首先，满足系统最基本的要求是底线；其次，系统的计算误差小；最后，简化器件的电路，从而增加抗干扰的能力，增强系统的实用性。④性价比高。在系统设计的整个过程中，在可靠性的基础上绝对不能忽略掉系统的经济性。不仅要保证系统的设计精度、稳定性等参数达到用户的要求，还要拥有合理的性价比，性价比的提高不能以牺牲系统性能为代价。⑤因地制宜。在设计时一定要考虑使用该产品的实地环境，要考虑东北地区的气候、温度、湿度等，从而提高产品的可用性和安全性。

1.3主要部件的选择根据系统总结的方案和要实现的功能，以及考虑到东北农村室外的环境情况。采用光敏电阻为采光模块，用太阳能自动跟踪控制器为主控制芯片，用电机来作为整个设计的输出模块，以LM358电路作为信息处理器并向L298N电机驱动发出信号，来控制电机正反转，以此来带动太阳能电池板的转动从而达到追踪太阳的效果。用继电器来控制电机正反转，带动太阳能电池板上的挡板做往返运动，完成对太阳能电池板的清雪、清灰。

2　控制系统的总体设计

提高太阳能发电控制系统的发电效率的方法有很多[1-3]，该设计是通过单轴跟踪技术和表面除尘技术2个方面来提高太阳能发电控制系统的发电效率的。

2.1光照强度模块现在光照强度传感器己经由模拟化向着数字化的方向发展，而数字传感器已经得到了广泛的应用。在应用广泛的市场下也使得光照强度传感器的价格很高，一个传感器的价格高达200多元，如果用这种传感器做完此次设计，成本很高。考虑到其应用人群的收入及知识范围，故选用成本低的光敏电阻。它是一种电阻值随着入射光线的强弱变化而变化的电阻元件，是利用半导体的光电效应制成的[4]。入射光线越强，电阻值越小；入射光线越弱，电阻值越大。除了拥有灵敏度高、稳定、反应速度快、光谱特性好等特点外，还有在高低温、潮湿、烈日等恶劣的环境中都能不受环境的影响，它的性能不会发生任何变化。因此，广泛地应用在光控玩具、验钞机、路灯自动开关等自动控制领域中，其结构简单，体型也比较小。

2.2跟踪模块如图1所示，双运放LM358与R1、R2构成了2个电压比较器，光敏电阻RT1、RT2与电位器RP1和光敏电阻RT3、RT4与RP2分别构成了光敏传感电路。如图1所示，将RT1和RT3安装在同一侧，RT2和RT4安装在另一侧，当RT1、RT2、RT3、RT4同时受到光照时RT1和RT2的中心点电压不变，如果RT1和RT3受到的光照强度大于RT2和RT4，RT1的内阻减小，LM358的3脚电位升高,1脚输出高电平，三极管VT1饱和导通，继电器J1导通，其转换触点3与触点1闭合，同时RT3内阻减小，LM358的5脚电位下降,J2不动作，其转换触点3与静触点2闭合，电机M正转，同理，反之则反转。

图1　跟踪器电路Fig.1　Circuit diagram of tracker

2.3清雪控制系统在太阳能电池板清理这方面，主要的问题是灰尘、积雪等覆盖到发电板上影响太阳能电池板正常工作。考虑到东北地区年年冬天都会下雪，有些时候就会有一些雪堆积在太阳能电池上影响太阳能发电的效率，为应对这个问题选择了利用继电器来控制电机正反转来带动太阳能发电板上的清雪板。当人们发现太阳能电池板上面存有积雪的时候，按下开关后清雪板会在电机的带动下将积雪清理干净，其原理是电机的正反转原理。

在这个控制系统中，当人们按下启动按钮后，电机带动清雪板开始转动，当转动到太阳能电池板的另一端时会碰到行程开关右限位上，这时电机就会反转，对太阳能电池板进行二次清理，并返回到出发点的位置，当回到出发点的位置时会触发行程开关左限位上，使电机停止转动。这样清雪板的一来一回会对太阳能电池板的表面进行清洁处理，除掉太阳能电池板上的灰尘、积雪等影响太阳能发电系统发电效率的物体，达到清洁的效果，并提高太阳能发电系统的发电效率。除尘控制系统原理图如图2所示。

图2　除尘控制系统原理Fig.2　Dust control system schematic

3　系统的安装与调试

此次设计用到的是一个10 W的小块太阳能电池板，所以在清洁处理中采用的是比较简单的方法，通过继电器来控制电机正反转带动清雪板来完成此任务。

图3是清雪板在太阳能电池板的工作图。在太阳能电池板的两端固定住2个挡板，并在2块挡板上面安上3个行

图3　清雪板的工作图Fig.3　Working diagram of snow cleaning plate

程开关，分别控制清雪板的正转停止、反转、反转停止。当人们按下正转开关后，电机会自动运行一周后停止，这样就能起到清雪除尘的作用。

按照设计的方案和电路连接图正确连接后，按下正转开关，发现清雪板在电机的带动下完成工作一周后停止，再次按下还是工作一周后停止。说明方案设计正确，可以使用。

4　 结论

能源的缺乏已经成为现代社会面临的重大挑战，太阳能作为一种可再生能源，如何将其资源化、合理化利用已成为社会热点话题。该设计根据东北农户房屋特点，进行了屋顶太阳能发电系统的设计。该系统通过精心的设计，极大地提高了系统的性能，具有高性能、低功耗等优点，大大提高了自动化程度及对太阳能利用的效率。同时也改善了我国当前太阳能发电系统自动化程度低、系统简单的现状，极大地推动了我国太阳能发电技术的发展。该设计性价比高，能够满足大多数农民的操作要求，适用面广，具有良好的应用前景。该系统设计成功，对我国东北农户能量的需求和资源化利用的研究有着积极的意义，且具有一定经济效益，可大面积推广应用。

[1] 胡阿琴,孟祺.我国太阳能光伏发电产业发展研究[J].湖北社会科学, 2011(4):92-95.

[2] 吕贝, 邱河梅, 张宇.太阳能光伏产业现状及发展[J].华电技术, 2010(32):73-82.

[3] 韩涛, 龚恒祥, 周康渠,等.国内光伏组件除尘专利技术比较研究[J].重庆理工大学学报, 2015(8):66-69.

[4] 贾勇.基于MSP430的太阳光源跟踪控制系统设计[J].自动化与仪器仪表,2015(9)：29-30.

Design of Solar Power Generation System on Northeast Rural Roof

ZHANG Yan-li, NIU Guo-ling*, JIANG Yong-cheng et al

(Mechanical Engineering Institute of Jiamusi University, Jiamusi, Heilongjiang 154007)

In order to improve the efficiency of solar power generation and automation degree of solar power generation system, this paper proposes a control system of solar power system which automatically tracks the sun based on the characteristics of the northeast farmer.This system is divided into three parts, including respectively solar power generation system, light control system, and automatic cleaning system.This paper introduces the basic composition and working principle of solar power generation system in detail, and gives a specific design scheme.This system has a high degree of automation, and meets the demands of the energy of northeast farmers, and has extensive promotion value.

Renewable energy; Solar energy; Automation; Dust removal

田间作业装备创新团队项目(cxtd-2013-01)；黑龙江大学生创新创业训练计划项目(201510222037，201610222106)；佳木斯大学教育教学研究项目(2016JL1004)；佳木斯大学校长基金项目(xzyf2016-15)。作者简介张艳丽(1974- )，女，黑龙江巴彦人，讲师，博士，从事农业电气化研究。*通讯作者，副教授，硕士，从事农业电气化研究。

2016-07-08

S 214

A

0517-6611(2016)22-169-02