引言
目前，我國(guó)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器主要有：壓差式太陽(yáng)能跟蹤器，控放式太陽(yáng)跟蹤，時(shí)鐘式太陽(yáng)跟蹤器，比較控制式太陽(yáng)跟蹤器。純機(jī)械式的跟蹤器和時(shí)鐘式的機(jī)電跟蹤器精度偏低，本系統(tǒng)采用了精度相對(duì)較高的光敏電阻控制的雙軸太陽(yáng)跟蹤器的控制方式使光伏電池始終朝向太陽(yáng);在天黑后，能夠使電池板重新朝向東方，實(shí)現(xiàn)日循環(huán)運(yùn)行。
太陽(yáng)能發(fā)電控制系統(tǒng)
傳感器結(jié)構(gòu)
該跟蹤器的傳感器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，在圓筒外部東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置4 只光敏電阻;其中P1、P3 東西對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來(lái)粗略的檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;P2、P4 南北對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來(lái)粗略檢測(cè)太陽(yáng)的視高度即高度角;在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別布置4 只光敏電阻，用來(lái)精確檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度和太陽(yáng)的視高度。
圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器
跟蹤器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。步進(jìn)電機(jī)1固定在底座上，主軸及其支撐軸承安裝在底座上面(主軸相對(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng))，轉(zhuǎn)動(dòng)架以及支架固定安裝在主軸上，光伏電池、步進(jìn)電機(jī)2 安裝在支架上面(光伏電池相對(duì)于支架可以轉(zhuǎn)動(dòng))，步進(jìn)電機(jī)2 的輸出軸連接在光伏電池上。
圖2 立柱轉(zhuǎn)動(dòng)式跟蹤器示意圖
當(dāng)光線發(fā)生偏移，控制部分發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī) 1 帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)架以及固定在轉(zhuǎn)動(dòng)架上的主軸、支架以及光伏電池轉(zhuǎn)動(dòng);同時(shí)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2 帶動(dòng)光伏電池相對(duì)與支架轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)步進(jìn)電機(jī)1、步進(jìn)電機(jī)2 的共同工作實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)方位角和高度角的跟蹤[2]。
MPPT控制器
光伏電池的輸出功率與它的工作電壓有關(guān)(U-P曲線一般呈先上升后下降的光滑曲線，中間的某個(gè)電壓值取得最大功率)，只有工作在最合適的電壓下，它的輸出功率才會(huì)有個(gè)唯一的最大值。如：在日照強(qiáng)度為1000W/m2 下，U=24V，I=1A;U=30V，I=0.9A;U=36V，I=0.7A;可見(jiàn)30V的電壓下輸出功率更大。MPPT(最大功率點(diǎn)跟蹤)控制器主要功能是:檢測(cè)主回路直流電壓及輸出電流，計(jì)算出太陽(yáng)電池陣列的輸出功率，并實(shí)現(xiàn)對(duì)最大功率點(diǎn)的追蹤 [3]。圖 3為實(shí)際應(yīng)用擾動(dòng)與觀察法來(lái)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤的示意圖。
圖3 MPPT控制實(shí)現(xiàn)示意圖
擾動(dòng)電阻 R 和MOSFET 串連在一起，在輸出電壓基本穩(wěn)定的條件下，通過(guò)改變MOSFET的占空比，來(lái)改變通過(guò)電阻的平均電流，因此產(chǎn)生了電流的擾動(dòng)[4]。同時(shí)，光伏電池的輸出電流和輸出電壓亦將隨之變化，通過(guò)測(cè)量擾動(dòng)前后光伏電池輸出功率和電壓的變化，以決定下一周期的擾動(dòng)方向，當(dāng)擾動(dòng)方向正確時(shí)太陽(yáng)能光電板輸出功率增加，下一周期繼續(xù)朝同一方向擾動(dòng)，反之，當(dāng)太陽(yáng)能光電板輸出功率減少時(shí)，表示擾動(dòng)方向錯(cuò)誤，下一周期朝反向擾動(dòng)，如此反復(fù)進(jìn)行著擾動(dòng)與觀察來(lái)使太陽(yáng)能光電板輸出達(dá)最大功率點(diǎn)。
系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的主控制電路在整個(gè)設(shè)計(jì)中占有重要地位，它主要對(duì)主回路進(jìn)行控制，保證 MPPT 算法有效實(shí)現(xiàn)，使 DC/DC 變換保持恒壓輸出，且與 LCD 的人機(jī)接口通信。它還在對(duì)蓄電池充放電的控制電路起著重要的作用。首先它對(duì)光伏電池功率的有效跟蹤，使得蓄電池的充電可以得到最大功率的恒壓電流。從而避免了光伏電池能量的浪費(fèi)。其次，主控制器控制的恒壓電流也使設(shè)計(jì)恒壓充電的充放電電路變的容易。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。
圖4系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
驅(qū)動(dòng)電路
光敏電阻采用的型號(hào)為GM5516,亮電阻：5-10 K Ω，暗電阻：200K Ω以上。系統(tǒng)通過(guò)對(duì)4對(duì)8路(R1對(duì)應(yīng)圖1中的P1,R2對(duì)應(yīng)圖1中的P3，R3-R8同理)光敏電阻即時(shí)進(jìn)行A/D采集，將所采集的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，判斷方位角和俯仰角的變化，并通過(guò)I/O(OUT1-OUT8)給步進(jìn)電機(jī)1個(gè)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)脈沖， 控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)向正確的方向，然后繼續(xù)進(jìn)行A/D采集和控制，直到信號(hào)差在一定范圍之內(nèi)，此時(shí)光伏電池正對(duì)太陽(yáng)。電路示于圖5和圖6。
圖5 光敏電阻采集電路
圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)57BYG007，GSP-24RW-046，皆為四相八拍。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4依次取高電平，ULN2803(步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，集電極輸出)的1腳到4腳依次為高電平，這樣就給步進(jìn)電機(jī)1(57BYG007)正轉(zhuǎn)一步的脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)1.8度;反之，OUT4、OUT3、OUT2、OUT1依次取高電平，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)1.8度，GSP-24RW-046驅(qū)動(dòng)原理與之相同。
DC/DC、MPPT電路
系統(tǒng)所采用光伏電池正常工作電壓10-14V，工作電流1A左右，所采用的蓄電池為12V-7AH，由于 12V的蓄電池一般需要13-15V的電壓為之充電，而光伏電池如果不經(jīng)過(guò)DC/DC處理，無(wú)法保證為蓄電池穩(wěn)壓充電。因此通過(guò)BOOST升壓電路將光伏電池電壓升高20V(大功率步進(jìn)電機(jī)需要較大電壓，此處可以為將來(lái)系統(tǒng)升級(jí)做準(zhǔn)備)，然后降壓到14V為蓄電池穩(wěn)壓充電[5]，電路圖如圖7所示。
圖7 DC/DC及MPPT電路
圖7電路左端為光伏電池，右端輸出電壓為Uo(圖7的Uo為圖8的Uin)，我們需要得到右端Uo=20V。
首先通過(guò)并聯(lián)50K、10K電阻組成的電路，并對(duì)10K電阻兩端A/D采集，采集電壓Uad1，間接得到蓄電池兩端電壓Uin=6Uad1;
Uo要求為20V, 通過(guò)Uo = Uin/(1-D)可計(jì)算出需要的D(Q1的占空比),輸出控制PWM1波形，由于所采用的大功率MOSFET驅(qū)動(dòng)電壓要求15V,所以PWM1需要經(jīng)過(guò)上拉電壓15V和光耦開(kāi)關(guān)組合后對(duì)Q1控制，不是簡(jiǎn)單的控制Q1。
通過(guò)R5、R6組成的電路采集R6兩端電壓Uad2，間接得到Uo=6 Uad2，將Uo與20V比較，即時(shí)調(diào)整實(shí)際的D，使得D=D-△D或D=D+△D(△D取PMW脈沖周期的5%)，然后延時(shí)、采集、判斷，直到得到精確的占空比D，能夠準(zhǔn)確輸出電壓Uo=20V。
在輸出電壓基本穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，設(shè)置Q4的PWM2，改變R7擾動(dòng)電阻的占空比，來(lái)改變輸出電流，通過(guò)對(duì)R8兩端電壓的A/D采集，采集電壓 Uad3，得到電路總電流I=Uad3/R8,因此得到太陽(yáng)能電池輸出總功率P=Uin×I(因?yàn)殡娐肥请娏鬟B續(xù)工作，電感上的紋波電流可以小到接近平滑的直流電流，C1電流可忽略，甚至電容C1可除去，且光伏電池左端的采集電阻相當(dāng)大，電流極小，亦可忽略)，改變光伏電池即時(shí)輸出實(shí)際功率，來(lái)實(shí)現(xiàn) MPPT。
蓄電池充放電控制電路
白天，光伏電池需要為蓄電池充電，以便蓄電池能夠晚間對(duì)負(fù)載(路燈)供電，并且步進(jìn)電機(jī)的工作電能也需要由光伏電池提供(若光伏電池的功率不足以帶動(dòng)電機(jī)，說(shuō)明日照極差，無(wú)需轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī))，ARM板必須連續(xù)供電，白天由光伏電池供電，夜間由蓄電池供電，這一套充放電控制電路需要用到2個(gè)繼電器，一個(gè)是控制蓄電池充電和放電，另一個(gè)控制arm板的工作電壓由光伏電池提供還是蓄電池提供，電路如圖8所示。
圖8 蓄電池充放電控制電路
電路右端Uin=20V作為輸入電壓， 通過(guò)BUCK降壓電路將電壓降到14V為蓄電池充電，Uo=Uin×D,要得到14V電壓，設(shè)置Q2的占空比為70%。白天：2個(gè)繼電器皆為常開(kāi)狀態(tài)A, 光伏電池為步進(jìn)電機(jī)和ARM供電(采用7805穩(wěn)壓管降壓到5V)，并為蓄電池充電，蓄電池正極接反相截至二極管，保證充電同時(shí)不放電。夜間(或日照極差，由光敏電阻判斷)：繼電器1、2被吸合到B,步進(jìn)電機(jī)停止工作，蓄電池為arm供電，并帶動(dòng)負(fù)載(路燈)工作。
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)主要的控制作用都是由主控制軟件實(shí)現(xiàn)的，主要包括：A/D模塊，DC/DC 模塊，MPPT 及蓄電池充放電控制等。系統(tǒng)重點(diǎn)在硬件設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單，主程序流程圖如圖 9所示。
圖9 主程序及主控后臺(tái)程序流程圖
結(jié)語(yǔ)
整個(gè)系統(tǒng)以arm LPC2131 為核心對(duì) DC/DC、 MPPT、蓄電池組充放電進(jìn)行控制，采用最大功率點(diǎn)的跟蹤，使光伏電池工作在最佳狀態(tài)，使光伏電池的實(shí)際轉(zhuǎn)換率由10% 提高到30%。系統(tǒng)通過(guò)自動(dòng)跟蹤測(cè)試，達(dá)到預(yù)期的性能指標(biāo)，控制精度高，已由公司制作成品，并計(jì)劃批量生產(chǎn)。它的制作簡(jiǎn)單、成本低、實(shí)用性強(qiáng)，這對(duì)于我國(guó)廣闊的太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)，有著非常廣闊的應(yīng)用前景。