太阳电池板智能追踪在移动基站中的应用

张 文，史志玮

（内江师范学院工程技术学院，四川内江 641112）

移动通信网络为了实现无缝全覆盖，在很多偏远的地区都建有大量的基站，其中很多地方电网是无法到达的，故大部分都采用了发电机供电方式。但由于发电机的采购、安装、维护和加油等工作相对繁琐，而且需要工程师亲临现场操作，增加了物资和人力成本。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，促使光伏发电产业发展非常迅速，目前已经有些地区为移动基站配备了固定接收太阳能的电池板发电装置，但是存在着光电转换效率太低的问题[1-2]。为了使太阳电池板的输出功率始终工作在最大点处，提高系统的整体效率，提出采用了视日运动轨迹追踪和光敏电阻阵列相结合的方法，设计了太阳电池板智能追踪系统，使太阳电池板实时全方位地调整姿态追踪太阳，同时也实现了远程监控的作用。

1 监控系统总体设计与追踪工作原理

1.1 监控系统总体设计

为了实现对野外移动基站太阳电池板的监测，采用C/S架构设计了远程监控系统，系统主要由集中监控中心、太阳电池板控制器和传输网络组成。分布在各地的太阳电池板控制器负责对太阳电池板的输出电压、电流和蓄电池的电量等进行监测，并通过Internet建立与监控中心的TCP/IP网络连接，将监测到的数据发至监控中心。监控中心将接收到的数据进行处理、分析、显示、存储和统计报表。系统保证了对移动基站设备的持续供电，一旦发现太阳能设备工作不正常，会自动发出报警提醒工程师到现场进行处理，避免信号中断事故的发生，实现了对多个移动基站供电系统的集中管理[3]。

1.2 追踪工作原理

为了对机械装置中水平和俯仰角由两个步进电机进行精确驱动，提出了视日运动轨迹和光敏电阻阵列追踪方法，把太阳电池板精确调整到光照最强处，提高了追踪的精度。

1.2.1 视日运动轨迹追踪

虽然太阳在太空中的位置时刻都在变化，但其运行轨迹却是有规律性，为了使太阳电池板的输出功率最大，必须时刻保证太阳光与太阳电池板垂直。假设方阵垂直面与正南的夹角为0°建立坐标系，太阳的位置可由高度角α与方位角φ来确定，公式如下：

式中：δ为一年中第n天的赤纬角；φ为当地的纬度角；ω为时角。太阳赤纬角与时角可以由本地时间确定，而对确定的地点：

由于本地的纬度角也是确定，因此只要输入当地相关地理位置与时间信息就可以确定太阳电池板倾斜跟踪太阳的高度角和方位角，从而获得最大的光伏发电效率[4]。

1.2.2 光敏电阻阵列追踪

光敏电阻阵列是太阳电池板跟踪系统的光信号接收器，共由8个光敏电阻围成一圈组成，利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理设计，光敏电阻阵列如图1所示。

图1 光敏电阻阵列

将光敏电阻阵列用一不透光的下方开口的圆柱体盖住，圆柱体的直径略大于光敏电阻阵列的外圆，以便光线通过，将整个光电检测装置安装在太阳电池板上，与电池板平行。如果太阳光垂直照射太阳电池板时，关于x轴或者y轴两个对称的光敏电阻接收到的光照强度相同，所以表现的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，此时调整驱动步进电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。控制灵敏度的高低直接影响跟踪精度，光敏电阻阵列光强比较法的优点在于控制精确，使太阳光永远垂直照射在接收面上，进一步提高了太阳能的吸收率和转化率[5]。

2 太阳电池板控制器设计

太阳电池板控制器主要由DSP处理器TMS320F2812、光敏电阻阵列、信号处理电路、GPS模块、网路控制器、太阳电池板、步进电机运动控制模块、充放电控制电路和蓄电池组等组成。太阳能控制器组成框图如图2所示。

图2 太阳能控制器结构

太阳电池在阳光的照射下光伏发电，通过充放电控制电路向蓄电池组充电，再供负载使用。由于太阳光照射在太阳电池板上的角度时刻都在变化，为了使角度保持垂直，需要通过调整水平和垂直方向的步进电机完成。DSP处理器TMS320F2812利用GPS模块串口获取当地位置和时钟信息，经过运算得到太阳的高度角α与方位角φ，再通过循环检测太阳电池板的位置，将其与计算出的太阳的高度角与方位角进行比较来确定是否追踪上太阳。如果满足启动条件，处理器发出指令驱动相应的步进电机工作，机械传动机构带动光伏电池阵列转动，驱动脉冲由处理器内部自带的PWM发生模块产生，只需在软件中设置相应的有关参数就可改变电机的转动角度。光敏电阻阵列接受光照输出电压值，经过信号处理电路，给处理器的ADC口进行转换，再通过水平和垂直步进电机对太阳电池板位置的微调，确保8个光敏电阻输出相等的电压，使太阳电池板与光线保持绝对的垂直。

2.1 光敏电阻阵列与信号处理电路

光敏电阻阵列与信号处理电路是为了实现对太阳电池板位置进行微调，使实际的太阳光与太阳电池板保持绝对的垂直，光敏电阻阵列与信号处理电路如图3所示。

图3 输出电压测试

光敏电阻阵列是用来检测太阳光强的，在投入使用前需要在暗室进行校准，调整可变电阻R13-R83的值使检测点T1-T8的输出电压值相等。随着光照的增强，光敏电阻值减小，当太阳电池板与太阳光保持垂直时，光敏电阻R12-R18接收的光强是一样的，阻值变化量也是相等的。当有微小的偏差发生时，处理器控制步进电机驱动机械装置调整偏差，保证太阳电池方阵正对太阳光，达到自动跟踪太阳的目的[6-7]。

2.2 太阳能控制器软件设计

所有程序的编写都是在DSP处理器集成开发环境CCS下完成的。软件设计采用模块化编程方法，系统选择汇编语言与C++语言混合编写，这样不仅可以提高编程效率，也增强了程序编写过程中的灵活性，而且为以后系统的维护和升级带来方便。软件流程如图4所示。

图4 软件流程

太阳电池板控制器上电后，首先进行系统初始化，包括DSP处理器的初始化、太阳电池板位置的归位、网络控制器的配置、GPS模块的初始化等，然后根据预设的服务器IP地址和服务端口号，建立TCP/IP网络连接，DSP处理器通过串口获取GPS模块输出的当前位置的纬度和时间，根据GPS模块输出的信息运算得出太阳的高度角与方位角，并通过水平和垂直方位步进电机调整太阳电池板的机械装置。再通过光敏电阻阵列的8个输出电压值进行比较，对太阳电池板的位置进行微调，达到接收最大光强的目的。最后将太阳能电源整个系统的采集数据打包发送至监测中心，根据设置延时n秒后，再次进入循环。

3 监控中心管理软件与测试实验

监控中心与各分布的移动基站太阳电池板控制器采用C/S架构设计，通过建立TCP/IP网络连接进行通信，为达到并发的需求，主程序采用多线程机制，为新建立的连接创建一个单独的收发数据线程，保障各太阳能控制器的数据传输独立性、及时性和安全性。

3.1 监控中心管理软件

监控中心管理软件以VC++6.0为开发平台，采用ACCESS2003为后端数据库，通过以太网实现与各移动基站太阳能控制器的通信，软件具备网络管理、历史查询、数据库管理、统计分析、报表输出和报警提醒等功能[8-9]。监控中心管理软件功能结构如图5所示。

图5 监控中心管理软件功能

监控中心将从各移动基站接收来的数据进行处理、分析和显示，太阳能供电系统的各项数据直观显示在监视器上，一旦某个分站出现故障，软件会自动发出报警信息，提醒工程师尽快到现场进行处理，避免供电中断事故的发生。

3.2 测试实验

采用规格为100W/18V太阳电池板，并将转化的全部电量存储到初始电量都相等的两个铅蓄电池组中，单节蓄电池的容量为12 V/24 Ah，3节蓄电池并联组成蓄电池组，并与负载断开。其中，装置A：固定接收太阳光，即太阳电池板的垂直面与正南的夹角始终为0°；装置B：采用设计的太阳电池板智能追踪系统，系统所需电都取自蓄电池组。两个装置放在同一位置。从早上9点开始，对白天6个小时的输出电流和转化电量进行了监测和记录。测试对比结果如表1所示。

表1 测试对比结果

从表1得出，一天当中太阳电池板在中午光强最强的时候输出电流达到最大值，且带有智能追踪装置B的输出电流始终大于固定接收装置A的输出电流，截止15时太阳电池板的转化电量提高了10.84%。

4 结论

采用视日运动轨迹和光敏电阻阵列法构建了智能追踪系统模型，通过GPS模块获取精确的地理位置和时钟信息，再经过DSP处理器运算后驱动步进电机工作，使太阳电池板自动保持与太阳光的绝对垂直，有效地提高了太阳能的光伏发电效率，而且监控中心能够对分布在各地的移动基站供电系统进行远程集中观测。经过一天内6个小时的观测实验，该太阳电池板智能追踪系统比固定接收电能转化率提高了10.84%，大大提高了移动基站供电系统的稳定性和持续性，符合构建环保型和节能型社会发展的要求。

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