小型太阳能光伏系统的设计与研制

本文基于光强控制法，设计了一个以AVR单片机mega16为控制核心的小型太阳能光伏系统并介绍了此系统的控制原理、结构和软件程序。该系统采用的是双轴控制，结构简单，显著提高了太阳能电池的发电量。测试发现，在晴朗的天气下，此太阳能光伏系统可以实现对太阳位置灵敏精确的跟踪。

【关键词】太阳能 光伏发电系统 AVR单片机 自动跟踪

1 引言

上世纪50年代，美国Bell Laboratories成功做出了单晶硅太阳能电池，这个发明成为了太阳能发电大规模应用的前提。本世纪以来，太阳能光伏发电得到时了快速发展，但其效率不够理想，使得其成本却居高不下。欧美国家政府由于采取高额补贴的形式大力支持鼓励民用太阳能的发展，欧美市场对太阳能相应器件设备的采购有着旺盛的需求，从而带动了其太阳能产业的大发展。我国虽然是光伏产品生产大国，但却鲜有大规模的应用，生产的光伏产品均出口欧美国家，其中主要原因是成本问题。我国现有的人均收入与欧美发达国家还有较大的差距，其次政府实施太阳能补贴过低，导致我国太阳能发电成本比传统水力、燃煤发电要高许多，这限制了太阳能光伏发电在我国的应用与推广。因此，在我国要推广太阳能光伏发电大规模使用，工作重点就是提升光伏电池的转换效率，降低其价格。

2 系统设计与研制

目前，太阳跟踪方式主要分为主动式、被动式和混合式。如果根据太阳能电池板转动轴的个数来分，分为单轴跟踪和双轴跟踪。本文采用的是双轴被动式跟踪系统。

2.1 AVR单片机最小系统与光传感器模块

跟踪系统的主要部分是AVR单片机mega16。此系统控制板拥有3个按键，可手动调节电池板的角度。它还拥有ISP下载口，方便调试下载程序。板上留有4个I＼O口的扩展控制排针。3个按键接在PB口。且AVR mega 16单片机内部集成了一个模拟＼数字转换器，通过PA口可以实现对外部电压的AD转换，用来扩展做采集光敏传感器的电压。PC口或PD口用来实现对步进电机的控制。图1为mega 16 最小系统板的原理图。

本文采用两对光敏电阻分别实现对太阳俯仰角和方位角的检测。在水平方向上，把两个光敏电阻放在一个暗盒里，上面开一条竖直的矩形通光窗口（宽约5mm），当太阳光垂直通光板时，光线刚好只能照射到两个光敏电阻中间空的部分，两个光敏电阻都没有受到光照，此时两者上的输出电压一样；当太阳水平方位上移动时，光线不再与通光板垂直，而倾斜一定的角度，这样通过通光窗口斜射进去的阳光就可以照到其中一个光敏电阻，这样两个光敏电阻的输出电压大小不一致，通过比较两者的电压信号，系统就可以辨别太阳在水平方向是否移动。在竖直方向上太阳光的检测原理和水平方向上一样。

2.2 步进电机驱动模块和机械控制结构

系统在检测到太阳的位置移动了后，就要发出控制信号调整太阳能电池板的俯仰角和方位角，使其保持正对太阳，这个过程是通过驱动两个步进电机来调整的。系统利用相互垂直的两个转轴实现太阳能电池俯仰角和方位角的调整。

2.3 系统控制程序

系统上电时首先进行初始化操作，设置4个IO口的方向和输出值。把定时器0的工作方式设定为比较匹配中断方式，再设置PA口为A＼D输入检测口，工作方式为定时器0比较匹配中断启动（定时器每2毫秒产生一次中断同时开始一次A＼D转换）。初始化完成后，系统开始要跟据检测结果比较光敏电阻上的电压值，如果两个光敏电阻上的电压值相差超过100毫伏，则表明在水平方向上光线已经不再垂直太阳能电池板，而是与电池板的夹角大于或小于90°了。竖直方向上的系统也同样检测比较。比较完成后，如果太阳的位置已经偏离则调用步进马达驱动程序，驱动步进马达调整太阳能电池板的角度，让电池板保持正对着太阳。然后再检测是否有按键按下，有按键按下则表示正在手动调整太阳能电池板角度。再根据按下的是哪一个键判断是调整它的方位角还是俯仰角。确定之后就调用相应的驱动程序调整其角度。完成后循环跳到检测电压程序。程序就这样一直反复循环执行下去。

3 系统灵敏度与稳定性测试

图2是我们研制的小型太阳能光伏发电系统。将系统放置于阳光下，电池板倾斜某一角度，正对太阳的方向，插上电源，系统开始工作。发现系统马上探测到偏离信号并驱动步进电机缓缓地转动调整太阳能电池的角度，最终使之正对着太阳。当我们任意倾斜太阳能电池的角度，发现只要其角度偏离太阳正射不是很大的情况下，系统都能马上探测到偏离信号并快速调整。测试表明系统反应是比较灵敏的。因为漫反射的缘故，来自各个方向的光强几乎相同。由于系统探测太阳光是否直射，是根据来自不同方向的光强大小，因此系统在阴天或阳光很弱时就不能正常工作。我们试图通过修改程序，设置光敏电阻的电压差，但发现依然无多大帮助。

4 结束语

系统采用的是被动式双轴跟踪，结构简单，成本较低，在晴朗无云天气完全可以实现对太阳的跟踪，实现太阳能电池最大的功率输出。由于是被动式跟踪，只有当太阳偏离一定的角度时，系统才检测到偏离信号，从而发出调整信号，驱动步进电机调整太阳能电池的角度。这种反馈调节的滞后性，使得系统在大多数时候都处于稍微偏离太阳直射的状态，影响到光电效率转换。

参考文献

[1]向平，程建民，毕玉庆.碟式太阳能跟踪装置的结构设计和动力分析[J].机械设计与制造，2009（06）：17-19.

[2]王淼，王保利，焦翠坪.太阳能跟踪系统设计[J].电气技术，2009（08）：100-103.

[3]许启明，冯俊伟，宫明.太阳能利用跟踪技术的研究进展[J].安徽农业科学， 2011，39（10）：6294-6297.

[4]邸斌，宋宏明.一种新型太阳能跟踪系统的研究[J].哈尔滨理工大学学报，2012， 17（2）：67-71.

作者简介

肖剑荣（1967-），湖南省洞口县人。博士学位。现为桂林理工大学理学院教授。主要从事新型能源材料方向研究

徐国杰，宋业恒，现为桂林理工大学应用物理学专业本科生。

作者单位

桂林理工大学理学院 广西壮族自治区桂林市 541004

推荐访问:太阳能 研制 光伏 设计 系统