太阳能最大功率跟踪系统的设计
摘 要随着化石能源的日益紧张，大力开发新能源成为很多国家重点研究课题。在这种背景下太阳能以其永不枯竭、无污染和来源充足等巨大优势受到人们的广泛应用。本课题针对太阳能光伏电池发电效率低的问题，设计了一套以单片机为控制核心的光电式太阳能最大功率跟踪系统，该系统包括机械传动和电气控制两个部分。机械传动部分在两个电机的带动下实现双轴跟踪。电气控制主要完成跟踪控制和锂电池充放电管理。跟踪时单片机通过检测光电传感模块输出信号分析光伏电池板平面和太阳光线的偏差角，驱动电机调节光伏电池板姿态，保持光伏电池平面和太阳光线的垂直，充分利用太阳能使光伏电池板输出功率达到最大。锂电池白天充电，夜晚为系统提供给电源。使用蓝牙将系统和上位机无线连接，通过上位机界面能方便查看系统运行状态。实验结果表明本课题对比相同条件下固定安装式安装光伏电池板输出功率提高30%。验证了本课题的可行性。
目 录
1．引言 1
1.1太阳能发展背景 1
1.2光伏电池输出特性 1
1.3国内外研究现状 1
1.4本文研究内容 2
2．跟踪控制方案 3
2.1跟踪控制方案选择 3
2.2方案设计 3
2.3主电路设计 3
2.4系统机械结构设计 6
3．系统电路设计 7
3.1主电路的设计 7
3.1.1降压电路的设计 7
3.1.2充电电路的设计 8
3.1.3升压电路的设计 9
3.1.4 LED驱动电路的设计 10
3.2控制电路设计 10
3.2.1开关管控制电路的设计 10
3.2.2单片机控制电路的设计 12
4．软件设计 15
4.1 程序流程图设计 15
4.2 模数转换 16
4.3 舵机控制程序 16
4.4上位机通讯设计 17
4.4.1串口通讯 17
4.4.2蓝牙传输 18
4.4.3上位机 18
5．实验结论 19
5.1实验成果 19
5.2调试 19
/> 5.2.1硬件调试 19
5.2.2程序调试 20
5.3实验数据 22
6. 结语 23
6.1总结 23
6.2展望 23
参考文献 24
致谢 25
1．引言
1.1太阳能发展背景
随着社会的发展一方面人民生活水平不断提高，另一方面化石能源不断减少，导致能源危机成为人类文明发展的一大障碍。虽然现代设备比以前更加节能高效，但是依然无法缓解全球能源危机的局势，只有开发新能源才是出路。太阳能以其清洁、高效和永不衰竭的优势受到越来越多的科技工作人员的大力研发。
太阳能利用分两种：一种是热利用比如太阳能热水器。另一种光伏发电，将太阳能转换成电能，由于电能容易转换其他形式能所以光伏发电更具有发展优势。光伏电池板一般采用固定安装，安装时需要计算最佳的安装角度，但是往往在早晨和下午时由于太阳光照射角和光伏电池板偏差角过大，导致光电转换效率大幅度降低。最大功率跟踪就是一套能够跟踪太阳运行轨迹，调节光伏电池板姿态保持光伏电池板和太阳光线的垂直，提高光伏发电效率的装置。
1.2光伏电池输出特性
图1.1 太阳位置对输出的影响
固定安装光伏电池板输出特性如图1.1所示。从图中可知因为太阳位置的改变对光伏电池的输出有很大的影响，只有在中午12:00才能充分利用太阳能发电。因此要充分利用太阳能必须对太阳运行轨迹进行跟踪。
1.3国内外研究现状
1997年我国成功研制出单轴跟踪装置。对比普通光伏发电系统发电量提高20%~30%。
1998美国研制出双轴跟踪器，2002年美国加州大学使用电机改善双轴跟踪装置，对比普通光伏发电系统发电量提高30%~40%。
现在的太阳能跟踪装置大多双轴跟踪的基础上，在控制软件中加入MPPT技术。跟踪太阳运行轨迹的同时通过DC/DC变换动态改变电压比，等效变换负载阻值使之等于光伏电池板内阻，达到阻抗匹配寻找光伏电池的最大功率输出点，进一步提高光伏电池板输出功率。
1.4本文研究内容
为了提高光伏发电系统太阳能利用率，提升系统发电量。本课题采用双轴跟踪装置实时跟踪太阳运行轨迹。系统主要包括以下几个部分：
（1）光电传感模块
光电传感模块用来检测太阳光线和光伏电池板平面的偏差角。输出东南西北四个信号到单片机A/D检测口。
（2）单片机控制
单片机每隔一段时间轮流检测P1A/D口的8个输入信号。4个光电传感模块具体检测方法是东西、南北输出电压两两对比，当电压差值超过1V时开始驱动电机，开始跟踪太阳运行轨迹保持最大功率输出。当完成跟踪保持姿态等待下一个采样周期的到啦。另外4个A/D采集主电路光伏电池和锂电池的电压电流。
（3）DC/DC变换
DC/DC主电路完成对光伏输出电压的降压和锂电池的升压，保证无论在白天或者黑夜单片机控制部分都能正常工作。
（4）锂电池充放电管理
白天光伏电池板输出的电压降压后通过充电管理芯片存入锂电池。使用专门充电芯片减少锂电池在充电过程中受到的损害。夜晚将锂电池升压后供单片机和LED灯使用。
（5）上位机
为了方便查看系统运行状态，使用无线蓝牙将系统运行参数上传至上位机。通过上位机界面能非常方便的观察光伏输出电压电流，电池充电电压电流和光电传感模块的输出信号。
2．跟踪控制方案
2.1跟踪控制方案选择
目前市面上主要有光电跟踪式和视日跟踪式两种太阳能跟踪装置。光电式需要实时监测太阳的位置，控制简单跟踪精度略微比不上视日跟踪，适合用在小型光伏发电系统。视日跟踪需要大量的精确计算太阳的运行轨迹，对CPU的性能要求高同时制作成本较高，适合应用在大型光伏发电系统中。本课题主要对于小型光伏发电系统所以选择光电跟踪方式不需要计算太阳运行轨迹，直接精确捕捉太阳运行轨迹。
2.2方案设计
图2.1 系统框图
系统设计框图如图2.1所示，系统包括光伏电池板、降压电路、充电电路、单片机、升压电路和光电传感模块组成。
白天光伏电池板输出电压先经过降压电路，降压后的5V电压成为单片机和充电电路的工作电压。单片机根据光电传感模块的输出信号判断是否需要开始跟踪，驱动电机带动机械传动机构调整光伏电池板姿态，实现跟踪。跟踪完成后保持姿态进行充电，等待下一个采样周期的到来。
2.3主电路设计
硬件主电路实现为单片机、充电电路和光电传感模块提供稳定工作电压。主要跟踪控制功能由单片机和光电传感模块组成，采样电路检测电池电压和电流，当电池充电完成或者电压过低，切断电路或负载实现保护电池。
图2.2主电路框图
如图2.2所示主电路分四个部分：降压电路、充电控制部分和锂电池升压电路。主电路采用DC/DC变换。因为太阳能光伏电池的光电转换效率最高只有24%，如果采用线性稳压电源7805稳压，虽然简单但是会导致整个系统的发电效率更低，不适合本课题高效节能的要求。
目 录
1．引言 1
1.1太阳能发展背景 1
1.2光伏电池输出特性 1
1.3国内外研究现状 1
1.4本文研究内容 2
2．跟踪控制方案 3
2.1跟踪控制方案选择 3
2.2方案设计 3
2.3主电路设计 3
2.4系统机械结构设计 6
3．系统电路设计 7
3.1主电路的设计 7
3.1.1降压电路的设计 7
3.1.2充电电路的设计 8
3.1.3升压电路的设计 9
3.1.4 LED驱动电路的设计 10
3.2控制电路设计 10
3.2.1开关管控制电路的设计 10
3.2.2单片机控制电路的设计 12
4．软件设计 15
4.1 程序流程图设计 15
4.2 模数转换 16
4.3 舵机控制程序 16
4.4上位机通讯设计 17
4.4.1串口通讯 17
4.4.2蓝牙传输 18
4.4.3上位机 18
5．实验结论 19
5.1实验成果 19
5.2调试 19
/> 5.2.1硬件调试 19
5.2.2程序调试 20
5.3实验数据 22
6. 结语 23
6.1总结 23
6.2展望 23
参考文献 24
致谢 25
1．引言
1.1太阳能发展背景
随着社会的发展一方面人民生活水平不断提高，另一方面化石能源不断减少，导致能源危机成为人类文明发展的一大障碍。虽然现代设备比以前更加节能高效，但是依然无法缓解全球能源危机的局势，只有开发新能源才是出路。太阳能以其清洁、高效和永不衰竭的优势受到越来越多的科技工作人员的大力研发。
太阳能利用分两种：一种是热利用比如太阳能热水器。另一种光伏发电，将太阳能转换成电能，由于电能容易转换其他形式能所以光伏发电更具有发展优势。光伏电池板一般采用固定安装，安装时需要计算最佳的安装角度，但是往往在早晨和下午时由于太阳光照射角和光伏电池板偏差角过大，导致光电转换效率大幅度降低。最大功率跟踪就是一套能够跟踪太阳运行轨迹，调节光伏电池板姿态保持光伏电池板和太阳光线的垂直，提高光伏发电效率的装置。
1.2光伏电池输出特性
图1.1 太阳位置对输出的影响
固定安装光伏电池板输出特性如图1.1所示。从图中可知因为太阳位置的改变对光伏电池的输出有很大的影响，只有在中午12:00才能充分利用太阳能发电。因此要充分利用太阳能必须对太阳运行轨迹进行跟踪。
1.3国内外研究现状
1997年我国成功研制出单轴跟踪装置。对比普通光伏发电系统发电量提高20%~30%。
1998美国研制出双轴跟踪器，2002年美国加州大学使用电机改善双轴跟踪装置，对比普通光伏发电系统发电量提高30%~40%。
现在的太阳能跟踪装置大多双轴跟踪的基础上，在控制软件中加入MPPT技术。跟踪太阳运行轨迹的同时通过DC/DC变换动态改变电压比，等效变换负载阻值使之等于光伏电池板内阻，达到阻抗匹配寻找光伏电池的最大功率输出点，进一步提高光伏电池板输出功率。
1.4本文研究内容
为了提高光伏发电系统太阳能利用率，提升系统发电量。本课题采用双轴跟踪装置实时跟踪太阳运行轨迹。系统主要包括以下几个部分：
（1）光电传感模块
光电传感模块用来检测太阳光线和光伏电池板平面的偏差角。输出东南西北四个信号到单片机A/D检测口。
（2）单片机控制
单片机每隔一段时间轮流检测P1A/D口的8个输入信号。4个光电传感模块具体检测方法是东西、南北输出电压两两对比，当电压差值超过1V时开始驱动电机，开始跟踪太阳运行轨迹保持最大功率输出。当完成跟踪保持姿态等待下一个采样周期的到啦。另外4个A/D采集主电路光伏电池和锂电池的电压电流。
（3）DC/DC变换
DC/DC主电路完成对光伏输出电压的降压和锂电池的升压，保证无论在白天或者黑夜单片机控制部分都能正常工作。
（4）锂电池充放电管理
白天光伏电池板输出的电压降压后通过充电管理芯片存入锂电池。使用专门充电芯片减少锂电池在充电过程中受到的损害。夜晚将锂电池升压后供单片机和LED灯使用。
（5）上位机
为了方便查看系统运行状态，使用无线蓝牙将系统运行参数上传至上位机。通过上位机界面能非常方便的观察光伏输出电压电流，电池充电电压电流和光电传感模块的输出信号。
2．跟踪控制方案
2.1跟踪控制方案选择
目前市面上主要有光电跟踪式和视日跟踪式两种太阳能跟踪装置。光电式需要实时监测太阳的位置，控制简单跟踪精度略微比不上视日跟踪，适合用在小型光伏发电系统。视日跟踪需要大量的精确计算太阳的运行轨迹，对CPU的性能要求高同时制作成本较高，适合应用在大型光伏发电系统中。本课题主要对于小型光伏发电系统所以选择光电跟踪方式不需要计算太阳运行轨迹，直接精确捕捉太阳运行轨迹。
2.2方案设计
图2.1 系统框图
系统设计框图如图2.1所示，系统包括光伏电池板、降压电路、充电电路、单片机、升压电路和光电传感模块组成。
白天光伏电池板输出电压先经过降压电路，降压后的5V电压成为单片机和充电电路的工作电压。单片机根据光电传感模块的输出信号判断是否需要开始跟踪，驱动电机带动机械传动机构调整光伏电池板姿态，实现跟踪。跟踪完成后保持姿态进行充电，等待下一个采样周期的到来。
2.3主电路设计
硬件主电路实现为单片机、充电电路和光电传感模块提供稳定工作电压。主要跟踪控制功能由单片机和光电传感模块组成，采样电路检测电池电压和电流，当电池充电完成或者电压过低，切断电路或负载实现保护电池。
图2.2主电路框图
如图2.2所示主电路分四个部分：降压电路、充电控制部分和锂电池升压电路。主电路采用DC/DC变换。因为太阳能光伏电池的光电转换效率最高只有24%，如果采用线性稳压电源7805稳压，虽然简单但是会导致整个系统的发电效率更低，不适合本课题高效节能的要求。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3142.html
