一种基于单片机控制的太阳能电池板系统设计

陈亚丽, 杨伟兵

(漯河职业技术学院 电气电子工程系,河南 漯河 462000)

随着经济全球化进程的不断加速和工业经济的迅猛发展，能源问题已成为人类需要迫切解决的问题，大力发展新的可替代能源已成为当务之急.太阳能是一种取之不尽用之不竭的绿色能源，太阳能发电具有充分的清洁性、绝对的安全性、资源的相对广泛性和充足性、长寿性及维护性等其它常规能源所不具备的优点.光伏发电虽然具有以上的优势，但是实际应用中还存在很多的问题.光伏发电的主要缺点之一是太阳能电池的效率太低，怎样跟踪最大光照和怎样达到最大效率一直是重点研究的问题[1].其次，由于处于室外,所处环境较为恶劣，太阳能板板面的清洁问题也是需要注意的重点.本实用新型所要解决的技术问题，是针对上述存在的技术不足，提供了一种基于单片机控制的太阳能电池板系统.解决了传统太阳能板控制功能简单、效率低的技术问题，达到了自动监测输出电能、自动清洗板面、全方位跟踪光伏发电最大效率点的技术效果.

1 设计思路和方案

1.1 设计思路

以单片机单元为核心，把检测、光能跟踪、板面清洁、输出控制设计成一体，以解决传统太阳能板控制功能简单、效率低的技术问题，达到自动监测输出电能、自动清洗板面、全方位跟踪光伏发电最大效率点的技术效果；采用无线远程监控通信的设计方法，解决传统太阳能板需近距离观察其工作状态的技术问题，实现实时监测、无线传输的技术效果[2]；采用全自动智能化系统技术设计，达到控制装置简易、自动化无需人为管理、保持太能板电池系统高效、稳定的技术效果.

图1 系统内部结构图

本系统内部硬件结构设计图如图1所示，包括单片机单元、电源模块和太阳能板；单片机单元一侧I/O连接位置驱动模块、板面清洁模块和电能输出控制模块，单片机单元的另一侧串口连接有通信模块和传感检测模块、位置驱动模块、板面清洁模块、电能输出控制模块的输出端；电能输出控制模块的输出端连接太阳能板.单片机单元1首先通过传感检测模块5检测光照环境，环境合宜则通过位置驱动模块2控制太阳能板7来跟踪最大光照点；其次，定时控制板面清洁模块4来对太阳能板板面7进行清洗；并通过电能输出控制模块3对太阳能板电池系统输出的电能进行整流逆变等；单片机单元1通过连接通信模块6，与外界进行无线通信，发送系统的工作状态；电源模块8为整个系统提供电能.

1.2 技术方案

(1)电能输出控制模块

图1中的电能输出控制模块3结构如图2所示，电能输出控制模块包括整流电路31和调压电路32，太阳能板7的电能输出侧连接整流电路31的输入侧，整流电路31的输出侧连接调压电路32的输入侧，调压电路32的输出侧连接有逆变电路33.本太阳能电池控制系统中的电能输出控制模块3对输出电能进行整流、调压、逆变，可依靠用户需求进行自动调压、调频，保证输出电能的有效性.

图2 电能输出控制模块结构图

(2)位置驱动模块

图3 位置驱动模块结构图

图1中位置驱动模块2的结构如图3所示，位置驱动模块包括电机驱动模块，电机驱动模块的输入侧连接单片机单元，输出控制端连接有X轴步进电机和Y轴步进电机，X轴步进电机和Y轴步进电机连接在太阳能板上.可以发现，本系统有X轴步进电机22和Y轴步进电机23两电机对太阳能板7进行位置控制，实现太阳能板7的双轴跟踪，保证其工作的有效性.

(3)板面清洁模块

图1中的板面清洁模块4如图4所示，板面清洁模块包括开关电路41、电子水阀45和鼓风机44，开关电路41的信号输入侧连接单片机单元1的I/O口，控制输出侧连接有接触器A 42和接触器B 43，电源模块8为接触器A 42和接触器B 43提供电能；接触器A 42连接控制电子水阀45，接触器B 43连接控制鼓风机44；电子水阀45连接有进水管46和出水管47，出水管47连接在太阳能板7上，鼓风机44出风口连接在太阳能板7上；清洁时，首先通过接触器A 42打开电子水阀45，对板面进行水洗，其次通过接触器B 43打开鼓风机44对板面进行清理，保证太阳能板板面的清洁性，提高其工作效率.

图5 传感检测模块结构图

图6 系统的工作流程图

(4)图1中的传感器模块5结构如图5所示，传感检测模块5包括A/D转换器51，A/D转换器51的输入侧连接有X轴光伏传感器A 52、X轴光伏传感器B 53、Y轴光伏传感器A 54和Y轴光伏传感器B 55，A/D转换器51的输出侧连接单片机单元1的I/O口；四只光伏传感器，对光照情况实时监控，并通过单片机单元1计算出最大工作点，实现最大工作点的跟踪.

图1～5所示为本系统所包含的全部模块，具体实施方式位置驱动模块、板面清洁模块和电能输出控制模块输入端与单片机的I/O的一侧连接，位置驱动模块、板面清洁模块和电能输出控制模块的输出端连接太阳能板，单片机单元的另一侧串口连接有通信模块和传感检测模块；电源模块输出侧连接单片机单元；所述的位置驱动模块包括电机驱动模块，电机驱动模块的输入侧连接单片机单元，输出控制端连接有X轴步进电机和Y轴步进电机，X轴步进电机和Y轴步进电机连接在太阳能板上.本太阳能电池控制系统中四只光伏传感器，对光照情况实时监控，并通过单片机单元计算出最大工作点，控制X轴步进电机和Y轴步进电机驱动太阳能电池板转动，实现最大工作点的跟踪.太阳能电池板把光能转化为电能，电能输出控制模块对输出电能进行整流、调压、逆变，可依靠用户需求进行自动调压、调频，保证输出电能的有效性[3].

2 系统工作流程

图6为本系统的工作流程图，首先检测光照是否适宜，继而跟踪最大光照点；并定时对本系统板面清洗，并控制输出电压，且本系统具有无线信息传输功能，可实时监控太阳能电池板状态并反馈用户.

3 结语

本文设计的一种基于单片机控制的太阳能电池板系统具有以下优点：(1)太阳能板电池控制系统具有定时自动清扫板面尘土、灰渍的功能，随时保持板面清洁，使系统发电效率一直保持在高状态；(2)太阳能电池控制系统对输出电能进行整流、调压、逆变，可依靠用户需求进行自动调压、调频，保证输出电能的有效性；(3)系统具有无线信息传输功能，可实时监控太阳能电池板状态并反馈用户.

[1] 李永霞，李战，刘畅,等.基于STC单片机的太阳能电池板自动追日系统[J].计算机应用，2013,33(s2):331-332.

[2] 刘瑞歌，宋峰，吴汝坤.基于AVR的太阳能电池板自动追日系统的设计[J].制造业自动化，2013,35(12):121-123.

[3] 李丹．太阳能发电工程中追日系统的设计[D]．苏州：苏州大学，2012．