基于单片机的太阳能智能追光系统设计

摘要：光伏能源是一种发电新能源，具有高清洁度、高再生的特点，在能源紧张的当代其应用价值极高。目前，光伏能源发电主要利用光伏设备来实现，但在初期应用过程中，人们发现，太阳光的移动会决定光伏设备的发电效率，即太阳光直射光伏设备时，发电效率将达到最高。因此，为了保障光伏发电效率，本文提出了一种基于单片机的太阳能智能追光系统设计。

关键词：单片机；太阳能；智能追光系统

基于单片机的太阳智能追光系统设计，需要根据光伏发电装置的不同做出调整，因此，本文首先参考前人研究介绍了两类常见的光伏发电系统，即普及性光伏发电系统、槽式光伏发电系统，以保障本文研究分析的全面性、针对性，然后针对两种光伏发电系统提出针对性的单片机下太阳能智能追光系统的设计方案，同时对两种设计方案的功能进行简要概述。

1 光伏发电系统概述

1.1 普及性光伏发电系统

普及性光伏发电系统是一种应用较为广泛的传统光伏发电系统，其主要由太阳能电池阵列、蓄电池组、充放电控制器、逆变器、交流配电柜组成。其中，太阳能电池只要在有光照射的前提下，就会产生光能吸收效应，吸收之后电池两端出现异号电荷的积累，此时即实现了光转电的目的。而单个太阳能电池的光能吸收及转化的效率是有限的，未必能满足供电需求，因此需要通过太阳能电池阵列来提高效率。蓄电池是电池中的一种，能把有限的电能储存起来，在合适的地方使用。因为单个蓄电池的电能容量是有限的，所以需要通过增加其数量来提高容量。充放电控制器是一种控制蓄电池组电能充、放及程度的重要设备，该设备首先能从蓄电池组中调用电能并传输到供电渠道中，其次能将太阳能电池产生的电能灌输到蓄电池中，最终可以控制充、放电的程度，而这有利于延长蓄电池的使用寿命。逆变器是一种将直流电能转变为交流电能的装置。因为蓄电池中储存的电能为直流电，不可直接应用，所以在供电渠道的前端，需要设置逆变器，当直流电能通过逆变器之后，就会被转换为交流电。交流配电柜主要辅助逆变器来进行电流转换，同时还能对线路的电能量进行统计。

1.2 槽式光伏发电系统

槽式光伏发电系统主要是利用太阳能中的热能来实现发电。槽式光伏发电系统中最核心的组件为槽式聚光镜，当太阳光照射到聚光镜上时会凝聚成一条线，在此之后利用线上的管状集热器来吸收线上的太阳能，吸收到的太阳能将会被传输到热工质中进行加热，此时利用蒸汽动力来实现循环发电。槽式光伏发电系统虽然相对少见，但该系统具有巨大的潜在的发电能力，要远超普及性光伏发电系统。例如，在某实例槽式光伏发电系统建设中，通过测试了解到，其能满足 800MW 太阳能光热电站对建设的需求。

2 普及性光伏发电系统单片机太阳能智能追光系统设计

2.1 设计方案

为了实现设备自动追光的功能，本设计将利用太阳光热能作为功能基础条件。设计方案主要可以分为 3 个部分，即硬件设计、软件设计、充放电设备设计。图 1 为本文设计的模型图。

2.2 硬件设计

主要采用 STC12C5A60S2 单片机进行设计。在设计过程中，选择四象限法来设计光敏电阻采集光信号分布。此时，光能产生的电能会传输到单片机中，单片机带有10位 A/D 转换和抗干扰滤波电路，而利用这两项电路能实现不同电能电压的比较。然后，采用PWM 波驱动舵机来实现太阳能电池阵列的转动，PWM 波驱动舵机的供电电路，本文采用 LM7805 三端稳压集成芯片，此电路除了具备供电功能以外，还具备稳压调压功能。在转动中，本文利用光敏电阻的光照强度对比原理，设计了转动规则，即当光敏电阻的光照强度与设置强度基本一致时即可。为了满足转动条件，采用DS18SB20 温度传感器来实现温度监测。此外，通过DS18SB20 温度传感器还能避免太阳能电池阵列温度过高而导致输出功率下降的问题，即当检测到温度大于45℃时，将驱动直流电机，带动降温设备进行降温。

2.3 软件设计

主要利用 Kei5 来进行编程设计。在编程过程中，主要选用电压比较算法、智能算法。在两种算法的结合下，能智能地对太阳的高度、太阳角度进行计算，以此可以避免太阳能利用效率变化不明显的现象。此外，编程与算法的效率高，能够使太阳能电池阵列的反应速度大幅度提高，在短时间内即可自动转到光照强度的最高区域。

2.4 充放电设备设计

主要采用 PWR2.5 标准充电口。此充电口的介入，实现了追光系统的双电源供给，避免在某些特殊情况下，因为电池没电使追光系统无法进行运作的“窘境”。

3 槽式光伏发电系统单片机太阳能智能追光系统设计

鉴于槽式光伏发电系统的特点，本文采用 AVR 单片机来进行追光控制系统设计。设计方案主要包括机械系统设计、硬件系统设计和软件系统设计三个部分。其中，机械系统设计要能满足追光系统自动化运动的条件；硬件系统主要受软件系统的控制，驱动机械设备实现运动，同时对光能数据进行管控，并将数据传输到软件系统中；软件系统主要控制硬件系统，同时根据硬件系统的数据来决策控制指令。图 2 为槽式光伏发电系统追光系统实例图。

3.1 机械系统设计

机械系统主要包括聚光抛物面、活动支架、固定支架、推杆电机4 项机械系统，具体设计结构如图 3 所示。

从图 3 可知，活动支架是整体设计的主要躯干，其主要与聚光抛物面、推杆电机相互连接。在与聚光抛物面连接过程中，活动支架能围绕聚光抛物面进行焦点旋转。由此说明，无论太阳光照的角度如何变化，360° 焦点旋转都能满足系统运动的需求。在与推杆电机连接时，推杆电机是驱动活动支架的动力装置，受硬件系统的控制。此外，在固定支架方面，其同样受到硬件系统的控制，控制规则为：当活动支架在运动时，固定支架不发挥功能，当活动支架运动停止时，固定活动支架。

3.2 硬件系统设计

硬件系统设计主要包括太阳位置检测设备设计、单片机电路设计、电机控制设计 3 个部分，下文将对此进行逐一分析。图4 为硬件系统设计结构图。

3.2.1 太阳位置检测设备设计。

太阳位置检测设备主要由 4 个光敏电阻、1 个挡光板组成。设计过程中，首先将4 个光敏电阻分别布设在挡光板的四角周边，其中 1号光敏电阻与 4 号光敏电阻将远离挡光板，并呈 45° 角分别向西、东两个方面摆放，而2 号、3号光敏电阻将紧贴挡光板，并呈90° 安装。 4 块光敏电阻的安装，可以囊括太阳光照移动的所有路径，实现各角度光能接受。

3.2.2 单片机电路设计。

鉴于本文所采用AVR 单片机硬性需求，主要选择了两个I/O 引脚输出高低电平控制继电器，在两个继电器的电路传输下，实现单片机的运作。

3.2.3 电机控制设计。

选用24V 直流电机作为推杆电机，以此来控制设备根据阳光转动，电机的两极分别与继电器的输出引脚相连。

3.3 软件系统设计

采用相关电机控制软件来实现系统控制。为了保障控制的精确性，本文将对软件的控制规则进行设计。设计过程中主要考虑天气因素，将各类天气因素下太阳光照状态分为 4 个等级，即无光、上方、左方、右方。在各等级之下，依靠太阳位置检测设备的数据传输，可以使软件了解当前太阳光的状况，之后软件将根据状况条件，自动切换控制状态，以此使设备进行转动，实现追光目的。

4 结语

太阳能是一种应用价值极高的新型能源，因此其具有较高的应用价值。但是，太阳光光伏发电的效率会因为太阳光的强度出现涨落，因此，为了保持发电效率处于高峰状态，需要构建太阳能智能追光系统。本文主要针对当前常见的两种光伏发电模式，围绕单片机进行太阳能智能追光系统设计。两项设计方案的相同点在于都采用了硬件设计、软件设计，不同点在于充放电设备设计、机械系统设计，这表明前者设计是以光伏系统本身为基础的，后者则通过机械设备来实现运作。