電池板追光體系設計

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最大功率點的獲取

晴天時，該系統采用的方法是追蹤最大功率點（MPPT），就是找到太陽能電池輸出功率最大的位置.MPPT采用的是自尋優的概念，實時測量光伏陣列的輸出功率，進行比較后，自動地尋找到最大功率點.不斷地尋找，不斷地調整，不斷地再尋找，如此周而復始.該方法可以自動適應一年四季太陽位置的變化，無需人工干預，十分有利于提高系統的全年效率[5].太陽能電池的U-I特性具有非線性，并且它隨著外界環境(溫度、日照強度)的變化而變化，在某一特定的溫度或日照強度下總存在著一個最大功率點.太陽能電池陣列的輸出功率特性曲線如圖2所示[6].由圖2可知，最大功率點幾乎分布在一條垂直線的兩側，可以將最大功率點看作是對應著某一個恒定電壓Un.該系統采用一個小型太陽能電池板作為系統的位置傳感器，每隔5min讀取1次輸出電壓.如果測量值比設定的最大值小，則需要驅動步進電機正向轉動；如果測量值比設定的最大值大，則需要驅動步進電機反向轉動；如果測量值等于設定的最大值，則不需要驅動步進電機轉動，說明此時位置合適.該系統采用干擾觀測法，這種方法能快速準確地進行MPPT控制，但在最大功率點附近振蕩運行，穩態輸出波形有一定波動，偏差較大.因此，擾動步長設定無法兼顧跟蹤精度和響應速度，需進行多次嘗試才能選定最佳步長，而且在光照強度劇烈變化時會出現誤判.所以這種方法適用于對控制精度要求不是特別高的情況.例如，各種獨立太陽能路燈、太陽能景觀系統等小功率系統，采用干擾觀測法進行MPPT控制足以滿足控制精度，且參數調整合理匹配.

主要模塊電路設計

時鐘芯片

由于該系統在陰天時需通過當前時間進行太陽位置計算，因此，需要采用實時時鐘，系統選用了時鐘芯片DS1302.該器件具有實時時鐘，可提供秒、分、時、日、星期、月和年（閏年補償）.DS1302有2個電源，一個是主電源Vcc2，另一個是備份電源Vcc1.主電源Vcc2同單片機一樣接5V電源，而備份電源Vcc1使用的是2節1.5V干電池.在系統電源被切斷的情況下，DS1302也能正常工作，保證日期、時間的準確性.X1，X2用來外接晶振，晶振的頻率為32.768kHz.

A/D轉換

A/D轉換的主要作用是把位置傳感器兩端采集的電壓值（0~5V的模擬量）轉換成數字量.該系統采用PCF8591芯片進行A/D轉換，它具有8位的二進制轉換精度.傳感器采集的模擬量與數字量對應關系的典型值對應：+5V對應值為FFH，2.5V對應值為80H，0V對應值為00H.PCF8591與單片機的連接如圖3所示.

傳動機構

傳動部分決定著該系統效率的高低、精度的大小.該系統是單軸跟蹤，只調整方位角，步進電機就是依靠帶動齒輪傳動機構來調整太陽能轉換利用裝置的方位角ψ到位的.該系統在帶傳動和齒輪傳動中選擇了齒輪傳動.齒輪傳動可以做成開式、半開式及閉式，該系統選擇了開式齒輪傳動.在開式齒輪設計中主要考慮以齒根彎曲疲勞強度和保證齒面接觸疲勞強度這2個準則，系統選擇了2個齒數分別為16和96的一套齒輪，模數m=2.5，齒數z1=16，z2=96，傳動比i=6，壓力角a=20°，齒頂系數ha=1，齒根系數hf=0.25，中心距a=140.齒輪是重要零件，由于該系統要求的旋轉速度不高，考慮到使用壽命和露天的工作環境，選用了優質碳鋼（45#鋼）材質的齒輪，耐磨性好，如果沒有過大的外力損傷，一般不會壞.

軟件設計

系統主程序

該系統主程序包括初始化單片機功能模塊、選擇當前工作方式環節，從而保證可靠驅動步進電機，控制太陽能轉換利用裝置始終正對太陽.主程序流程如圖4所示.

測量追蹤子程序

測量追蹤子程序是在晴天時啟動，通過讀取傳感用太陽能電池的輸出電壓判斷太陽能的吸收狀態，從而調整太陽能轉換利用裝置準確到達位置.子程序流程如圖5所示.

視日運動追蹤子程序

視日運動子程序是在陰天時啟動，通過輸入的當地經緯度信息、讀取的時間信息計算出太陽的準確位置，去實現跟蹤.子程序流程如圖6所示.

系統安裝

太陽能電池板的方位角與高度角對其吸收太陽能都有很大影響，考慮到是單軸追蹤，只有東西方向可以自動調整，所以，在安裝過程中要根據計算數據固定好南北方向的安裝角.因為是固定角度，在角度選取上一般采用犧牲一些夏天的能量，盡量增加一些冬天的能量的原則.例如，某地區夏至日的最大高度角為74.6°，相應安裝角為15.4°；冬至日的最大高度角為27.7°，相應安裝角為62.3°，則取其平均值為(15.4°+62.3°)/2≈39°.考慮到9：00—11：00，13：00—15：00的情況，此安裝角可適當調大(+5°~+8°).該系統也可以隨季節調節安裝角，夏季略小，冬季略大，而春季和秋季可與當地緯度相當.該系統在安裝時，首先要確定安裝地點的經緯度，計算出高度角和方位角.再根據時間和季節進行估算定位.在寧夏地區，考慮到9：00—11：00，13：00—15：00的情況，可以使夏季為20°~24°，冬季為67°~70°，春分、秋分以調節到當地緯度加10°為好.

本文作者：藺金元作者單位：寧夏大學