基于STC的全自动光伏发电系统

陈沐傈，王静涛，宋佳音，陶力，杨帜，张政，侯东君

（东北林业大学，黑龙江哈尔滨，150000）

0 引言

随着科技社会的不断发展，能源需求不断提高，致使能源危机成为当今世界面临的巨大挑战。较目前来看，化石能源在较长时期内仍然是人类生存和发展的能源基础，但由于勘探水平、运输条件、安全因素等多方面的限制使在中长期发展中化石能源有效开发利用量远远不足，同时它的利用引起了大量温室气体的排放，导致全球气候变暖。因此，太阳能作为一种新兴的可再生能源，被越来越多的国家采用。1990 年德国政府推出了“一千屋顶计划”，至 1997 年已完成近万套屋顶系统，每套容量 1～5 千瓦，累计安装量已达 3.3 万千瓦；2006年6月，亚美尼亚无线电物理所的专家宣布，已在该国山地开始建造其“第一个小型实验样板”型工业太阳能电站；以及我国不断研制出的主动式双轴追踪系统、蝶式聚光主动式双轴跟踪器、被动式双轴跟踪器和混合式跟踪器。

然而当前全自动光伏系统机械结构较为复杂，无法实现区域化自动，针对这一现状，我们设计了一套基于STC12C5A60S2的全自动光伏系统，通过自主测光仪对光照角度进行跟踪，利用光电传感器对光照强度的差值比较实现对太阳方位角、高度角的实时检测，继而利用无线传输将自主测光仪检测到的两个角度经无线传输控制双轴太阳能电池板阵列旋转到最佳方位，最大化提高光电利用率。

1 太阳自动追光检测系统整体结构

检测装置采用5V电源供电，以单片机STC12C5A60S2芯片为核心，控制自主测光仪的逻辑运行。首先照度光电传感器监测到当前为黑夜时，自主测光仪复位、光伏阵列不工作，单片机发出关机信号；当太阳的照射强度高于预先设定的工作照度时，即白天，控制时钟DS1302开始计时，自主测光仪运行工作。首先进行方位角跟踪，当光线垂直照射到扇形外壳底部的光电传感器时，两个光电传感器检测到的光照强度相同，而当光线偏移则会产生偏差信号，偏差信号通过单片机处理之后转变为舵机所能接受的脉冲信号，将此脉冲信号传输给水平方位角舵机，使其向光照强度数值较小的光电传感器一侧旋转相应的角度，水平方位角舵机可在0-360°范围内进行转动检测，直到太阳光线与扇形体保持垂直角度，偏差信号也即为零，实现对太阳自东向西的自动追踪。接下来进行高度角跟踪，同样利用偏差原理对自主测光仪的转筒底部的光电传感器进行判断处理，使竖直高度角舵机在0-90°范围内进行转动检测。为了避免自主测光仪频繁检测带来不必要的能量损耗，检测装置在时钟DS1302的控制下，本系统将30分钟检测一次。最后经过nRF24L01无线传输将方位角、高度角传输给双轴太阳能板阵列，以此实现区域化的光电利用率提高。

图1 自主测光仪整体结构图1-转筒，2-扇形壳，3-竖直高度角舵机，4-轴承，5-底盘，6-底座，7-单片机模块，8-电源模块，9-水平方位角舵机

2 太阳自动追光供电系统整体结构

2.1 太阳能电池组阵列

太阳能电池组阵列可实现清洁能源的区域化。利用本文的全自动光伏系统可以为一定区域内使用太阳能的用户提供最大的电能，也可为高速公路夜行时提供路灯电能，以节省电费损耗，最大化使用绿色能源。

假设用电设备的平均功耗为100W, 整套系统采用24V直流蓄电,再逆变成交流220V供电,每天工作时数8h,保证连续阴雨天数7天。

哈尔滨地区太阳能年辐射总量约为（4680～5040MJ/m2）,经计算其峰值日照时数约为3.45h,经计算负载日耗电量=100÷24×8 ＝ 33.3AH。

所需太阳能组件的总充电电流＝（33.3÷0.9）÷（3.45×0.7）＝15.32A,在这里,逆变器的转换效率为0.9,太阳能电池组件系统综合损失系数,0.7为蓄电池充电效率。

太阳能组件的最少总功率数＝17.2×15.32＝264W,所以太阳能电池板设计为 300W,采用24V100W电池板3 块并联安装。

2.2 蓄电池

蓄电池是把电能储存为化学能，当需要放电时再次把化学能转换为电能的一种电气化学设备，也称二次电池。充电时利用外部的电能使内部活性物质再生，把电能储存为化学能，需要放电时再次把化学能转换为电能输出。

根据上面的计算知道,负载日耗电量为33.3AH。在蓄电池充满情况下,可以连续工作7个阴雨天,再加上第一个晚上的工作,蓄电池容量＝33.3×（7+1）÷0.8＝333（AH）,0.8 为蓄电池的放电深度,因此选用 12V400AH 的深循环型免维护铅酸蓄电池2只串联安装。

2.3 控制器

太阳能控制器是用于控制多路光伏阵列对蓄电池充电以及蓄电池给太阳能逆变器负载供电的自动控制设备，它对蓄电池的充、放电条件加以规定和控制，进行负载过流及短路保护、防反充功能、太阳能电池反接保护、蓄电池反接保护等功能，并按照负载的电源需求控制太阳电池组件和蓄电池对负载的电能输出，是整个光伏供电系统的核心控制部分。

本次设计中选择的太阳能电池板峰值功率为 400W,充电电压是 24V,通过这个数据可以计算出太阳能充电控制器最大的工作电流是400W÷24V＝16.64,所以太阳能控制器应该选择24V20A 的控制器。

2.4 逆变器

逆变器是光伏系统必不可少的一部分，主要是把太阳能电池板所发的直流电转化成家电使用的交流电，太阳能电池板所发的电全部都要通过逆变器的处理才能对外输出。当工作电流超过额定值 150% 时,逆变器应能自动保护。当电流恢复正常后,设备应能正常工作。本系统的总功率为 100W,考虑到负载启动的瞬间冲击电流,逆变器的功率应该选择为 12V400W。

3 总结

全自动光伏发电系统，以自主测光仪为核心检测器，根据光电传感器对光照强度数据的采集形成偏差信号，经过STC12C5A60S2的对偏差信号进行处理，形成MG996舵机可以接受的相应的脉冲信号宽度，不断通过PWM脉冲输出控制舵机在水平0-360°和竖直0-90°的角度范围内监测，减小偏差信号直到光电传感器数值相同，从而确定太阳的方位角和高度角，进而利用无线传输使自主测光仪的舵机角度信号传送给双轴太阳能电池板阵列，达到太阳光照垂直照射的角度。该全自动光伏系统大幅提高了区域性光电转换率，使太阳能在一天内吸收更多的光照并输出电能供给用电器使用，为新能源的发展开辟了新的发展前景。

参考文献

[1]万里瑞.太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].机械工程与自动化,2008(3):156-158.

[2]周天沛.全自动光伏发电装置的设计[J].自动化技术与应用,2011年30卷第01期.

[3]赵争鸣,刘建政等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社.

[4]立春曦,王佳等.我国能源发展现状及前景[J].电力科学与工程 ,2012,28（4）：1-8.

[5]胥义,刘道平.徐州地区太阳能资源利用前景分析[J].能源研究与利用,2001,(4):18-20.