基于单片机的光伏MPPT及太阳追踪系统的设计

2018-06-14黄日威谭伟付廖烈健欧志懂莫富超

数字技术与应用 2018年3期

黄日威谭伟付廖烈健欧志懂莫富超

(广西大学行健文理学院,广西南宁 530000)

能源的开发利用是世界发展和经济增长最基本的驱动力。能源的开发和有效利用推动着世界经济快速增长,支持着现代社会和现代文明,其中太阳能依托其绿色环保、用之不竭的特点受到人们的关注。我国幅员辽阔,有着十分丰富的太阳能资源。全国各地太阳年辐射总量约为3340～8400MJ/m2,平均值为5842MJ/m2。开发太阳能可再生资源,对建设和谐社会有着重大意义。在太阳能光热利用中,为了能得到足够高的热能,太阳能集热器必须从日出到日落跟踪太阳。在太阳能光伏发电系统中,相同条件下,自动跟踪发电设备比固定发电设备发电量提高了三成,成本降低了25%。因此对太阳能的跟踪在太阳能光伏发电系统中发挥着重要的作用,对太阳能的跟踪是十分重要的。

图1 原理图

1 工作原理

太阳能光伏发电跟踪系统是通过嵌入式微处理器的分析和计算来自太阳能光伏板上两组传感器所产生的电流值与固定值的对比差值,嵌入式微处理器的输出信号对步进电机进行控制,使太阳能光伏板能够出接收更多的热辐射,实现对太阳能的充分吸收和利用。通过处理器输出信号对步进电动机进行控制,让太阳能光伏板始终处于太阳能辐射的最大面积。首先,利用光敏电阻的特性实现光信号与电信号的转换,通过A/D 转换器,把运算放大器放大太阳光垂直或者偏离照射到光电传感器时所产生的偏差信号转化为数字信号送入 ARM芯片,判断太阳高度角的变化,实现步进电动机的正、反脉冲控制其转向。要实现步进电机的精确转向,需要将偏差信号进行D/A转换后与0比较。当比值等于0时,则ARM芯片不发出任何控制信号,步进电机保持不动,太阳能光伏板保持角度方向不变;当比值大于或者小于0时,则ARM芯片需要进一步的处理数据判断是否是高度角和方向角出现偏差,最终是输出高度角度驱动控制信号还是方向角驱动控制信号,驱动芯片工作,精确调整步进电机转动,修复角度方向偏差,从而重新使太阳光线与光伏板垂直,实现实时跟踪太阳的任务。

2 硬件系统部分的设计

如图1所示。

2.1 芯片选取

选用STC89C52RC单片机作为整个系统的控制处理中心。

2.2 电源模块

使用电源适配器并选用7805和1117M3等电源转换芯片,将市电转化成9V直流输出,再将9V直流输出转换成5V和3.3V的电压,为整个系统提供一个稳定的工作电压。

2.3 光能采集模块

将四个3DU33光敏三极管分别固定在感光板的四个顶角呈十字架状,并得到四个光电流。配合发光二极管,用于指示感光电路工作状态。利用比较器和光敏电阻对光源进行追踪。

2.4 继电器控制模块

通过电磁继电器运用小电流控制大电流的开关特性,对云台进行控制,实现指向性转动。即通过单片机引脚输出不同的电平信号,通过三极管的导通特性控制电路的导通和截止,实现对电磁继电器的控制端电压的调节,从而使电磁继电器在常开和常闭循环之间接环,输出云台的指向性转动信号,实现控制云台的沿各个方向的转动的目的。

2.5 驱动模块

步进电机是将电脉冲信号转换为相应的直线位或角位移、并适合微控制器控制的一种特殊电动机。步进电机根据给定的脉冲信号实现精准的定位控制,并且在不改变它的通电状态下也有制动转矩,转子将固定在某一平衡位置上保持不动,这一特点在特性全天候太阳能跟踪系统转动控制中是十分有利的。步进电机可以根据太阳位置的移动所产生的脉冲信号进行控制转动,隔一段时间转一个角度后马上停下来。综合上面步进电机的性能进行分析,我们决定采用步进电机。

3 系统的软件设计

本系统设计整体软件程序流程图如图2所示。

自动模式流程图:如图3所示。自动模式下,单片机检测采光板上下左右四个方向的光敏电阻所产生的光强度值,输出信号控制步进电机,使采光板正面移动到与光强度值最大的一方垂直。

4 结语

经过实验表明,基于STC89C52RC单片机太阳能跟踪系统的软件设计和硬件设计,可通过对高度角和方位角的计算,实现了对阳光的大范围跟踪,并且跟踪精度达到较高的标准。并且解决了在各种天气下,根据光敏电阻的特性,实现线上自动的调节。随着太阳能利用的普及,太阳能的产品已经进入到人们的日常生活中。经过本次的设计,我们的设计与市场上的其他产品比较下,从材料上,结构上、安装运行以及管理上,不管是硬件还是软件的设计,都进行了改进,更为节省成本,运行上更为简单可靠,在保证系统的稳定的同时,实现了高精度的太阳能追踪特性。