基于单片机的太阳能最大功率自动追踪系统_蔺金元

收稿日期 2011－ 08－ 02基金项目 宁夏大学 2010 年科学研究基金资助项目 （ NDZR10-40）作者简介 蔺金元 （ 1972 ） ， 女， 副教授， 硕士， 主要从事自动控制研究 .宁 夏 工 程 技 术Ningxia Engineering TechnologyVol ．11 No． 1Mar． 2012第 11 卷 第 1 期2012 年 3 月文章编号 1671－ 7244（ 2012） 01－0 016－0 3当今世界正处在一个能源紧缺的时代，谁掌握了能源， 谁就是赢家 .太阳能资源丰富 , 既可免费使用 , 又无需运输成本 , 对环境也无任何污染， 是目前最为理想的一次能源，太阳能的开发利用也因此如火如荼地积极进行着 .像沙漠干旱地区， 那里远离输电线路， 供电不方便， 但是阳光充足， 更应该大力推广太阳能应用 .常见的装置有太阳能发电 、 太阳能照明 、 太阳能集热器等 . 现在太阳能能源转化装置已比比皆是 .其中， 太阳能电池板在太阳能转化装置中的应用非常广泛 .但是， 在大多数装置中， 太阳能电池板都是固定不动的，不能根据太阳位置的移动而自动追踪， 这样就造成了太阳能的吸收率较低 、 转化率不高 . 本课题研究了一种基于单片机控制的自动追踪旋转装置， 能够有效地提高太阳能的吸收率， 提高能源的转化效率 .1 系统结构和工作原理MPPT（ Maximum Power Point Tracking 控制是一种通过调节电气模块的工作状态，使光伏板能够输出更多电能的电气控制系统 [1].太阳能电池发电状态的电流方程式为 II ph-I d-I sh. 其中 I 为负载电流；I ph 为与光照强度成正比的光电流； I d 为流过二极管的电流； I sh 为 PN 结的漏电流 .由电流方程式可知， 太阳能电池的输出电流受光照强度的影响 [2].如果电池板不能够正对太阳， 光照强度显然要减小， 所以， 相同条件下，采用 MPPT 自动跟踪系统的太阳能电池板的发电量会比固定不动的电池板有所提高 .另外，太阳能电池的转化效率通常采用最大功率点的效率来表示， 即公式 η Pmax/S.其中， S为投射到电池板上的入射光功率 [3].可见， MPPT 方法能够提高太阳能电池的转化效率 .该系统采用一个小型太阳能最大功率位置点探头，根据该探头的位置最终直接确定大型太阳能板的方位角，该方法不会在大型太阳能板运动中消耗大量机械功 .探头采用单轴最大功率 Pmax 追踪法， 倾斜布置东西方向追踪 .具体结构图如图 1 所示 .该系统探头采用一块小太阳能电池板，其成本低且结果可准确说明电池板当前角度的输出功率 .利用单片机为控制器， 采用步进电机作为执行机构，使用信号采集 、 转换装置对太阳能电池板的输出功率进行采集，单片机通过从探头上采集的功率信号进行比较运算，决策出步进电机的动作状态，即正转 、 反转或不转， 目的是追踪到电池板最大功率点的基于单片机的太阳能最大功率自动追踪系统蔺金元 1， 马虎林 2， 李居强 1（ 1.宁夏大学 物理电气信息学院， 宁夏 银川 750021；2.酒泉钢铁有限 （ 集团 ） 责任公司动力厂， 甘肃 嘉峪关 735100）摘 要 为提高太阳能吸收率， 介绍一种能有效提高太阳能吸收率的自动追踪系统 .该系统利用单片机为控制器， 采用寻求最大功率点的方法， 控制步进电机带动太阳能电池板根据吸收功率的大小自动旋转， 使电池板始终保持在太阳能吸收率最高的位置， 以实现太阳能资源的更好转化利用 .关键词 单片机； 太阳能； 自动追踪； 最大功率点中图分类号 TP273 文献标志码 A图 1 系统结构图传感器信号采集 、 转换电路单片机步进电机探头位置， 获得最大光照强度对应的角度位置， 继而实现对大型太阳能电池板位置的控制 .2 最大功率点的获取太阳能电池的 V-I 特性具有非线性， 并且它随着外界环境 温度 、 日照强度 的变化而变化， 所以较难控制 [4].但是， 它的最大功率值 Pmax 几乎与日照度成正比增加，在某一特定的温度和日照强度下总是存在着一个最大功率点 [5].因此， 最大功率点跟踪的研究对提高系统效率是十分有效的 .从 MPPT 研究进展来看，无论是在电力电子技术应用方面， 还是在控制理论方面， 研究基础都是基于 2 种方法 扰动观察法和电导增量法 [6].最大功率点追踪的过程实质上是一个寻优的过程，即通过控制太阳能电池的端电压来控制最大功率的输出 . 太阳能电池阵列的输出功率特性曲线如图 2 所示 .由图 2 可知， 当太阳能电池工作在最大功率点电压 V max 左侧时，输出功率随电池端电压的上升而增加；当太阳能电池工作在最大功率点电压Vmax 右侧时， 输出功率随电池端电压的上升而减少 [7-9].该系统采用改进型扰动观察法，程序开始时先采集功率 、 电压信号， 然后使电机转动一个角度去改变探头电压值， 实现一次扰动， 再采集新的信号， 将现有功率与上一次的功率进行比较 . 如果功率变大了， 说明扰动方向是正确的， 就继续向相同的方向进行扰动； 否则， 说明扰动方向是错误的， 就应该向反方向进行 .如果功率值不变， 则电机不动， 并保存当前探头偏移角度，可认为电池板与光线入射方向垂直，这时即可参考探头偏角来控制住太阳能电池板的转动， 经过若干时间延迟后继续进行扰动 .如此不断地循环， 从而实现电池板对最大功率点的追踪， 且不会消耗过多的机械功 .3 硬件设计及能耗分析该系统将最大功率角度判断和大型电池板转动部分分开，在消耗很少的功耗情况下即可准确获得最大功率角度，太阳能电池板只有在偏角发生变化时才会转动， 将系统消耗的机械功降至最低 .系统的硬件电路如图 3 所示 .因探头较小， 采用 28BYJ-48-5V 小型步进电动机即可驱动， 工作电压为 5 V， 可直接使用单片机电压； 步距角为 5.625 /64， 完全可满足要求， 且其功耗也较小， 在实物测试中其平均功耗仅为 10 mW（角度跟踪周期为 5 min） .加上单片机 、 测量电路及传感器后， 总功率为 300 mW， 这是系统消耗的最小功率 .大型太阳能电池板的驱动步进电机采用 23HS8630，连续运行时功率为 9 W. 设置工作时间为 8 0018 00， 测试数据见表 1.通过实验数据可知，该系统使太阳能电池发电效率提高约 27 ， 具有良好的经济效益 .4 软件设计软件设计部分是系统能够正常工作的灵魂所在， 主要分成主程序和子程序两大部分 .主程序主要完成系统的初始化和子程序的调用，子程序主要完成各自的子功能， 如信号采集子程序 、 电机的正反转子程序等 .该系统的程序流程图如图 4 所示 .在上述程序中，将 P2 存入 P1 的目的是保存最新功率值， 以便和下一次测量值进行比较 .当实际测量到的输出功率 P 很小， 小到低于事先设定的最小值 Pmin 时， 表明日落或阴雨天 .此时需将探头复位，并设置太阳能电池板方向为初始方向 .图 3 系统的硬件电路表 1 系统实验数据对比分析晴天阴天单片机系统耗能 //kJ108电池板驱动电机耗能 /J200固定状态700100追踪状态100100效率 /％270电池板发电量 /kJ测试环境P/WPmaxV/VV max图 2 太阳光伏电池输出功率特性第 1 期 蔺金元等 基于单片机的太阳能最大功率自动追踪系统 175 结语该系统采用的这种自动追踪最大功率点的方法， 能够使电池板始终保持在太阳能吸收率最高的位置， 控制方法简单 、 容易实现 、 可靠性也比较高， 尤其在沙漠干旱地区这种强光照环境中，是一种能更好地吸收利用太阳能的好方法，可以广泛应用到太阳能路灯 、 热水器 、 太阳灶等太阳能转换装置中， 提高它们的转换效率， 节省太阳能电池板的面积， 提高装置的经济性 .虽然电机的旋转要消耗一定的能量，但是与系统整体提高的转化率相比，电机消耗的能量只占很少的一部分， 并且， 随着储能技术的日益发展， 电机耗能的影响几乎可忽略不计 .该系统的旋转机构与太阳能电池板之间采用钢结构的支架支撑，机械传动用齿轮带动， 具备一定的抗强风能力 .参考文献[1] 卢琳 ,殳国华 ,张仕文 . 基于 MPPT的智能太阳能充电系统研究 [J]. 电力电子技术， 2007,41（ 2） 96-98.[2] 田勤曼 . 光伏发电系统中最大功率跟踪控制方法的研究 [D].天津 天津大学 ,20084-19.[3] 刘宏 ,吴达成， 杨志刚， 等 . 家用太阳能光伏电源系统 [M].北京 化学工业出版社 ,20074-200.[4] 韩斐 ,潘玉良 . 高效能光伏充电系统研究 [J].机电工程 .2009， 26（ 12） 23-26.[5] 洪刚 . 蓄电池太阳能充电系统研究 [D]. 重庆 重庆大学，20083-24.[6] 王岩 .光伏发电系统 MPPT 控制方法的研究 [D].北京 华北电力大学 ,2007 5-24.[7] 唐敏 .光伏发电系统的效率最优化研究 [D].青岛 青岛大学 ,20085-17.[8] 吴海涛 .光伏并网逆变器及其仿真研究 [D].山东 青岛大学 ,20073-20.[9] 唐彬 .基于神经网络和支持向量机的光伏最大功率跟踪研究 [D].汕头 汕头大学 ,2008 1-15.图 4 系统的程序流程图开 始系统初始化测量探头输出功率 P1电机正转一定角度测量探头输出功率 P2P2P1P2P1P2 Pmin电机反转一定角度P2 存入 P1YP2 存入 P1测量 θ ， 延时 5 minNNY探头复位，θ 恢复初始值SCM based solar maximum power tracking systemLIN Jinyuan1， MA Hulin 2， LI Juqiang1（ 1.School of Physics and Electrical Information Engineering， Ningxia University， Yinchuan 750021， China；2.Jiuquan Iron and Steel Group Limited Liability Company Power Plant， Jiayuguan 735100， China）Abstract In order to improve absorptivity of solar energy, an automatic tracking system which can improve the absorptionrate of solar energy is introduced. In the system, a single-chip microcomputer is used as the controller, the method of seekingmaximum power point is set, and then, the battery plate which is driven by the stepper motor can rotate according to thevalue of absorption power. Thus, the battery plate can keep the position which is avail to absorb maximum power. The systemmakes better use of solar energy to convert.Key words single chip microcomputer； solar energy； automatic tracking； maximum power point（ 责任编辑 、 校对 韩小珍 ）第 11 卷宁 夏 工 程 技 术18