面向小型电子系统的智能光伏电源设计

包祖超，张 含，程泰之，卜凡朕，李 昂

（南京理工大学紫金学院，江苏 南京 210000）

0 引 言

随着城市化的快速发展，诸多挑战接踵而至，如资源的破坏和环境的污染限制了城市发展的速度，影响了居民的生存和发展。2017 年，国务院转发国家发展改革委、住房城乡建设部《生活垃圾分类制度实施方案》，大力推进生活垃圾分类，提升城市管理和服务，创造优良的生活环境，并在46 个城市先行试点实施，取得良好效果[1]。垃圾分类有助于减少占地与污染，变废为宝。由此，智能垃圾桶应运而生，但却面临供电困难的问题。随着能源危机和环境压力不断加大，如何高效利用太阳能已然成为当今研究的热点。太阳能是一种高品质的清洁能源，其具有资源丰富、安全、廉价、可自由利用等特性。然而在大多数太阳能发电系统中，太阳能采集板的架设方向均固定，无法随着太阳光线的偏斜而变化，大大降低了太阳能的使用率。采用太阳能自动追踪技术可以有效提升太阳能的发电效率，据相关研究调查显示：同等条件下，采用自动跟踪系统相比固定装置系统的发电量提高约30%[2]。因此，如何实现高效的太阳能自动追踪是当前急需解决的问题。

目前，国内外实现的太阳能自动追踪技术主要分为两种：一种是视日追踪法，其由程序控制，预先设计好运动轨迹，根据所在地区的经纬度和具体时间，由javascript：void（0）程序计算太阳的方位角、高度角。它可以不受天气状况的影响实现全天候自动追踪。但同时也存在弊端，该方法对经纬度和时间信息的精准性有着很高的要求。另一种是光电跟踪法，其通过光敏传感器实时监控太阳位置，依据光照强度的不同转换成不同的数字信号，然后把电信号传输到控制器，再由控制器控制轴运动。该方法与视日追踪法相比，操作更便捷，灵敏度更高，追踪的准确度也更高，但易受天气影响，特别是遇到阴雨天气，存在较大的误判风险[3]。

据此，本文设计了一款基于Arduino 单片机的4 路光敏传感器与双轴结合的自动太阳能追踪系统。通过系列试验验证了该系统的正确性和有效性。

1 系统总体设计方案

本系统主要由Arduino 单片机、光敏电阻、SG90 舵机、GN3795 太阳能充电模块等组成。总体设计框架如图1 所示。

图1 总体设计框架

1.1 Arduino 单片机

Arduino 单片机处理速度快、兼容性好，硬件资源丰富，核心为ATmega328P 微控制器。它有14 个数字输入/输出引脚（其中6 个可用作PWM 输出），6 个模拟输入，16 MHz晶振时钟，USB 连接，电源插孔，ICSP 接头和复位按钮。其功能强大，功耗低，只需5 V 电压便可驱动，使用方便。

1.2 追光模块设计

为保证光敏传感器能够精确检测到有效信号，本设计将4 个光敏电阻传感器分布在平面直角坐标系的4 个象限内[4]。此设计较5 个光敏电阻传感器的设计而言，追光效果更明显。原因在于5 个光敏传感器（位于4 个象限和原点）中原点接收的光照强度最大，不能准确识别太阳的具体方位。当太阳光线照射到光敏电阻传感器时，经A/D 转换器将信号传输给单片机的微控制器。

1.3 双轴装置设计

为充分提高自动追踪效率，自动追踪装置采用双轴追踪方式，如图2（a）、图2（b）所示。装置包括水平转轴和竖直转轴，确保太阳光线照射的方向始终与太阳能电池板保持垂直，进而提高太阳能采集效率。

图2 装置设计

2 系统总体设计

2.1 追光模块的原理及其算法设计

本设计使用的追光模块为光敏电阻，如图3（a）所示。这是由一种半导体材料制成的光电子元件，光敏电阻较其他光电传感器具有灵敏度高、成本低和稳定性好等优点。光敏电阻受光照射后电阻值发生变化，光照强度与其阻值负相关，光照强度越强，其对应的阻值就越小。光敏电阻的工作原理如图3（b）所示。

图3 光敏电阻及其工作原理

追光模块的工作原理：用两块不透明且中轴线有槽的木板把平面隔成平面直角坐标系的4 个象限，当太阳光线照射到追光模块时，某个象限内的光敏传感器检测到光照强度最强时，其余3 个象限可能由于被木板所挡，不能被照射到或照射的光照强度比较弱。进而获取4 个象限内光敏电阻的检测值，传输给微处理器，经过一系列算法分析处理，确定追踪装置的转动方向[5-6]。

追光模块模型如图4 所示。在水平方向：当Ⅰ和Ⅳ象限的测量值大于Ⅱ和Ⅲ象限的测量值时，表明Ⅰ、Ⅳ象限的光照比较强，水平方向的舵机向左转；反之，向右转。在竖直方向：当Ⅰ和Ⅱ象限的测量值大于Ⅲ和Ⅳ象限的测量值时，竖直方向的舵机会向上翻转；反之，向下翻转。水平方向转轴追踪算法如图5 所示[4]，其中，模拟量a值代替光敏电阻的测量值。

图4 追光模块模型

图5 水平方向转轴追踪算法

2.2 追光舵机控制系统设计

本设计选用的是适用于角度不断变化并可以保持的SG90 伺服舵机，如图6 所示。工作原理：由接收机发出信号驱动舵机转动，通过减速齿轮将动力传递给摆臂，同时由位置检测器送回信号，进而判断是否已经到达指定位置[7]。位置检测器的实质是一个可变电阻，当舵机转动时电阻发生变化，由此可知舵机转动的角度。如转轴的位置与控制信号相符时，电机关闭。如果控制电路察觉到转动角度不对时，便会启动电机，直至角度到达预定位置。

图6 SG90 伺服舵机

3 实验结果

组装好的太阳能自动双轴追踪装置如图7 所示，实验硬件控制装置如图8 所示。

图7 太阳能自动双轴追踪装置

图8 实验硬件控制装置

为确保实验的有效性，本测试方案将该装置置于光照较弱的室内和光照较强的室外，在早、中、晚三个时间段分别测试，得出更准确有效的结论。将装置置于光照较弱的室内，在早晨和傍晚光照极弱的环境下，追光装置对光线追踪不太准确。在光照较强的室外，无法准确追踪太阳的方位。因光敏电阻的阻值与光照强度呈负相关，光敏电阻的阻值变化还与光的波长、光敏电阻本身的材料特性有关[8-10]，因此在选择光敏电阻时，需考虑光敏电阻自身的材料特性。为保证本装置能在光照较强的室外正常工作，我们在光敏电阻前加了一块有色玻璃，降低太阳直接照射的光照强度。实验证明，该方法行之有效。测试结果见表1 所列。

表1 测试结果

据此实验测试结果得出以下改进措施：

（1）本自动追光装置在光照较强的环境下，需要在光敏电阻前加上有色玻璃，可有效减弱光强，进而增强追光装置的灵敏度。

（2）在光照较弱的环境下，光敏电阻的感光灵敏度还有待提升，可以换用灵敏度更高的光敏电阻。

4 结 语

面向小型电子系统的智能光伏电源基于Arduino 单片机设计。本设计将光电追踪与双轴转动相结合，极大提高了系统对太阳光线追踪的准确性，进而切实提高了太阳能的转化效率。而在选择光敏电阻时，因光照强度过大导致光敏电阻失灵，本文提出了两种解决方法：一是在光敏电阻前加上有色玻璃，有效削弱光照强度过大对光敏电阻的影响；二是换用耐光性更强的光敏电阻。相信本设计能够极大助力太阳能发电，节约能源。

注：本文通讯作者为李昂。