光伏发电双轴智能跟踪系统设计

广东电网梅州丰顺供电局 黄润德

随着社会的科技快速发展，全球对能源的消耗量成几何倍数增长，但至今为止人类社会活动的首要能源仍来自化石燃料焚烧。因此，新能源的探寻和开发利用刻不容缓。光伏发电双轴智能跟踪系统选取单片机STM32作为核心处理芯片，以锂电池充电保护TP4056为基础设计充电控制装置，同时利用光电传感器跟踪光源位置，以ULN2003型步进电机作为执行器件，设计出具有智能跟踪光源功能的独立光伏发电系统，以达到最大限度的提高太阳能的利用率的目的。

光伏发电最大的问题是如何将太阳能的转化率提高至理想值，当前提高光伏发电效率首要是将光能的转化率和光照的有效采集两个方面开始研究。因为地球自转与公转的运动特性，使得太阳和地球的相对位置每分每秒在发生改变。因此，如何研究设计一种光伏发电系统，让太阳入射光线始终光伏发电板保持90°，以确保能在单位时间和单位面积上光能采集率最大，所以要求研究设计系统要能够保证光伏发电板与太阳的相对位置不发生改变。数据表明：光伏发电阵列应用跟踪模式在能量利用率方面，比固定模式的提高接近35%，比高聚焦比系统提高20%。所以研究设计光伏发电双轴智能跟踪系统对提高太阳能利用具有现实意义。

1 双轴智能跟踪系统的光电追踪原理

双轴智能跟踪装置的机械结构如图1所示，以两个步进电机分别控制执行装置的高度角和方位角空间的转动以实现光伏发电板与太阳照射光线时刻保持垂直，两台步进电动机旋转控制跟踪太阳高度角和方位角的变化。由位置跟踪理论可知，太阳位置的参照对象是设备安装地点水平面的南北方向线。在现实中，光伏发电装置的安装只能接近理论标准。

图1 双轴智能跟踪装置模型

光电传感器的工作原理：当天气是夜晚或者阴雨时，没有足够光照安装在光伏发电板上的光电二极管所反应产生电压值为Ua+Ub+Uc+Ud，且小于或等于系统设定值时，双轴智能跟踪系统处于休眠状态下系统输出步进电机转动步数为0，执行机构保持停止状态。直到光线达到最低需求光照发电强度，再进入智能跟踪太阳的状态。

当跟踪设备位于光照强度足够的环境时，装在光伏发电板上的四个光电二极管感应电压值之和Ua+Ub+Uc+Ud大于系统设定值，双轴智能跟踪系统进入智能跟踪状态。光敏电阻中电流信号在经过稳压模块后变为Ua、Ub、Uc、Ud，并传送到控制芯片发出信号，控制步进电机的转动方向与圈数。当Ua、Ub、Uc、Ud的电压值大小不相等时，则垂直方向的电压偏差量Δm和Δn将不等于零。电压偏差量计算公式：

控制系统通过对Δm和Δn分析计算并转变为步进电机的旋转次数和旋转方向，使设备能时刻跟踪太阳。从而使光伏发电板与太阳光线相互垂直，四个光敏电阻接收到的光照强度不断变化，使Ua、Ub、Uc、Ud的值大小趋近于相等。控制系统不断采集AD信号，并控制执行机构使光伏发电板的方向与入射光线不断趋近垂直，最终达到跟踪太阳的目的。

2 系统总体设计

光伏发电双轴智能跟踪系统主要由控制装置、执行装置、检测装置、辅助装置4部分组成。控制装置包括STM32单片机核心电路、按键电路。执行装置包括步进电机及ULN2003驱动电路、TFT彩屏显示电路、光伏发电电路。检测电路包括光照感应电路。辅助装置包括TP4056锂电池充电电路、稳压电路、升压电路等。

系统总体结构如图2所示。

图2 系统总体结构图

系统实现的功能有如下，利用太阳能电池板进行光伏发电，并将电能储存到锂电池中，实现系统供电的自给自足；采集光敏电阻所受到的光照数据，并在TFT显示屏中显示光照强度的变化；“智能跟踪模式”是系统自动追寻光照较强的方向，根据市场中步进电机的规格不标准，“智能跟踪模式”分为自动1（顺时针转动），自动2（逆时针转动）；“手动跟踪模式”是系统通过人为的操作按键控制步进电机的转动，从而改变太阳能板的朝向；通过STM32将电池电压换算为电池容量，并TFT显示屏中显示锂电池的电量，并当电量低45%，将电量数字显示为红色进行警示；为了避免当天气不好时，系统储蓄电量不足无法正常工作的情况。通过TP4056充电模块就可以通过安卓数据线为系统提供电源。

3 系统的硬件设计

3.1 STM32单片机核心电路设计

STM32系列处理器是基于ARM 7架构的32位、能够完成实时仿真和跟踪的微控制器。选择STM32作为双轴智能跟踪系统的核心电路是因为STM32的主要优势：（1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核（2）具有出色的实时性能和功耗控制（3）便于开发，在医疗器械等领域中有广泛应用，产品可快速开发进入市场。对于在一个平台开发多个项目功能来说，STM32是最适合的选择。因为当在设计系统时，STM32可以不修改原始设计框架及软件的前提下，将系统的功能应用进行升级。

3.2 步进电机及ULN2003驱动电路设计

步进电机虽然已经广泛在现实中应用，但不同于普通直流电机。它必须在由脉冲信号与驱动电路等构成的控制系统的控制下才能使用。鉴于单片机自身驱动能力弱及输出的电信号较弱，故选择ULN2003驱动步进电机动作。ULN2003内部具有消线圈反电动势功能的二极管，用作启动继电器工作。一般控制系统在启动ULN2003工作时，需要连接电阻值为2K的上拉电阻，同时COM引脚应当不接或直接电源相连。

3.3 按键电路设计

本系统采用轻触按键，轻触按键当按下按键使开关接通，松开按键时开关断开，工作原理是利用它自身内部的金属弹片的弹性形变来实现电路接通与断开。按键作为系统的输入，起到人机交互的枢纽控制作用。该系统中的单片机芯片控制引脚默认为高电位，当轻触按键按下时，该单片机引脚变化为低电平，进而实现系统控制。系统的自动跟踪模式和手动跟踪模式通过按键进行选择，当设置进入手动模式，其他四个按键分别控制电机：上翻，下翻，左转，右转。按键按一下，电机微动一点，持续按下电机持续动作。实现手动控制电机运行到某一状态。

3.4 光照感应电路设计

智能跟踪系统采用光敏电阻作为感应光照的元件，光敏电阻主要制作材料为半导体材料如：硫化镉、硒化镉等。它实现功能主要是依据内光电效应，光敏电阻在光照下产生载流子在电场力的作用下做漂移运动，电子往电源正极移动，空穴往电源负极移动，从而使其阻值与光照强度成正比。它自身对光照十分敏感，在无光环境时，呈高阻态，阻值可达1.5MΩ。在光照感应电路设计通过4组光敏电阻分别串联分压电阻通过电压差实现执行机构的智能跟踪。

3.5 光伏发电电路设计

光伏发电是将太阳能直接转换为电能的技术，工作原理是运用半导体上的光生伏特效应。光伏发电装置主要由太阳能电池板、控制装置和逆变装置、电能储存装置组成。在光伏发电电路中采用9V多晶硅太阳能电池板作为发电装置，并将光能转化而来的电能先通过LM7805稳压，再通过充电模块为锂电池进行充电。由于需要的锂电池两端额定电压为3.7V-4.2V，还需要为控制系统等电路进行供电。因此需要通过升压电路将光伏发电产生3.7V电压升压至5V左右为整个系统进行供电。

光伏发电双轴智能跟踪系统是利用两个步进电机控制太阳能电池板的方位角和高度角实现智能跟踪。本系统是闭环跟踪系统，能够实现在光照条件下对太阳位置进行精准跟踪。系统还可通过手动跟踪模式和自动跟踪模式随时切换，让系统在现实中的运转更加稳定流畅，并使其精准度有一定程度的提高。选择双轴跟踪的方式，最大限度的提高对太阳光的接收时间与强度，并完成对系统可靠性的分析与应用。在提高利用率的前提下，保证整体系统的可靠性。