光伏发电系统中追日模块的单片机控制研究

张晓伟　许艳华

摘 要：文章采用光伏阵列，实现通过光照强度的检测，自动调整太阳能光板跟随太阳运动，研究了太阳能光板的仰角与设备放置纬度的关系，和太阳能光板获得最大发电能力同太阳能光板面与太阳光照射间夹角之间的关系。结果表明：太阳能光板面与太阳光照射间夹角为90°时，太阳能光板的发电能力最强，结合该结果，对太阳能光伏发电系统中追日模块的软硬件进行了设计。

关键词：单片机；光伏发电系统；逆变器；追日系统；太阳能电池

传统的能源燃料在逐渐减少，污染危害也日益显著。此时，全球发达国家都把发展方向转向了可再生能源，寻求能够改变目前人类社会的能源结构，维持长远可持续发展的方法。太阳能以其绿色、干净的优势而得到人们重视。它一方面含量丰富，可再生无污染，另一方面廉价，人们可以随意利用[1]。太阳辐射的能量，每秒钟到达地面高达80万kW，如果能把照射到地球表面0.01%的太阳能转为电能，转变率为5%，那么，每年光伏发电的发电量就可以达到5.6×1011 kW·h，相当于目前世界上能耗的4倍[2]。

因此，在可再生能源中，太阳能是最有发展潜力的。当前，地球上能源燃料短缺，环境污染问题也与日俱增，光伏发电因为清洁、安全、便利等特点，逐渐被各国关注，并成为重点发展的新产业。在此背景下，光伏发电的发展迅猛增长，规模也不断加大，同时产品成本不断下降。国内光伏发电产业也得到迅猛发展，已成为我国可以参与国际竞争的，并且有希望成为国际龙头的行业[3]。

光伏发电是利用半导体器件的光生伏特效应，将光的能量转变为电能的一种新兴技术。技术的核心设备就是太阳能电池。将太阳能电池串联后，能够大幅增大太阳能电池电压，然后进行封装保护，就形成了太阳能电池组，与功率控制器等设备组合构成光伏发电装置[4]。

传统光伏发电系统的太阳能光板是固定的，不能跟随太阳的移动而运动，在太阳偏射时，发电效率低。追日系统是在实验室设计过程中，模拟仿真每天太阳运行的过程，能够控制太阳能光板跟随太阳运动，使太阳光板与太阳光线夹角始终是90°，从而能够获得最大的发电能力的系统。全球不同的纬度，太阳能光板的仰角是不一样的[5]，其仰角的取值参考表1。

1 光伏阵列追日系统硬件设计

光伏阵列追日系统主要是根据光照角度的变化，实现光伏阵列的实时跟踪控制[6]。

1.1 HT7350稳压电路

HT7350稳压电路如图1所示。

HT7350的输入电压最高是12 V，最大输出电流250 mA，耗散功率是500 mW。

实验中给单片机供电的电压是5 V，给舵机供的电压经检测却是6.6 V，所以这边使用一个HT7350的稳压芯片，稳压5 V给单片机供电。

1.2 电压调整电路

电压调整电路如图2所示。

太阳能板输入电压通过电路后，进入AD采样，可以对输入电压进行调整，从而起到矫正的作用。

1.3 光传感器模块

光传感器电路如图3所示。

光传感器模块电路特点：（1）采用灵敏型光敏电阻传感器。（2）采用比较器输出，信号干净，波形好，且驱动能力强，超过15 mA。（3）配备可调电位器，来调节检测光线亮度。（4）工作电压低：3.3～5 V。（5）输出形式：DO开关量输出（0和1），AO模拟量输出（电压）。（6）板子面积小，PCB尺寸：3.2 cm×1.4 cm。（7）使用了宽电压比较器LM393。

模块使用时的注意事项：

（1）光敏电阻模块，对环境光线比较敏感，用于检测周围环境光线的亮度，触发单片机，继电器模块等。

（2）当环境光线亮度达不到设定阀值时，DO端输出高电平；只有当外界环境光线亮度超过设定阀值时，DO端才输出低电平。

（3）DO输出端与单片机直接相连，由单片机来检测高低电平和环境的光线亮度改变。

（4）DO输出端，直接驱动本站继电器模块，组成光控开关。

（5）小板模拟量输出AO和AD模块相连，经过AD转换，获得环境光照强度更精准的数值。

2 光伏阵列追日系统软件

光伏阵列追日系统主要通过光照强度检测，使光伏阵列跟随太阳运动[7]。下述程序是以光敏电阻为光感器件的检测控制程序。

#include “STC15.h”

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

/***************函数声明**************/

Void ADadjust（void）；

Void Timer0_Init（void）；

Void delay（unsigned int ms）；

Uint Get_ADC10bitResult（uchar channel）；

/************定義使用的I/O管脚***************/

Sbit _PWM = P4^1；

Sbit _PWM = P4^2；

Sbit IN_1=P0^0；

Sbit IN_2=P0^1；

Sbit IN_3=P0^2；

Sbit IN_4=P0^3；

Uchar ucCount=20；

Uchar ucCount2=20；

Uint uCout，uCount2；

Void main（）

{

P4M0=0X06；

P4M1=0X00；

P0M0=0X00；

P0M1=0X00；

Timer0_Init（）；

While（1）

{

ADadjust（）；

}

}

Void ADadjust（void）

{

If（IN_3==1&&IN_4==0）

{

ucCount2++；

uCoun2 = 0；

if（40 == ucCount2）

ucCount2 =39；

}

else if（IN_3==1&&IN_4==1）

{

ucCount2=ucCount2；

uCount2=0；

}

else if（IN_3==0&&IN_4==1）

{

ucCount2--；

uCount2 = 0；

if（9 == ucCount2）

ucCount2 = 10；

}

If（IN_1==1&&IN_2==0）

{

ucCount++；

uCount = 0；

if（40 == ucCount）

ucCount = 39；

}

else if（IN_1==0&&IN_2==1）

{

ucCount=ucCount；

uCount = 0；

}

Else if（IN_1==0&&IN_2==1）

{

ucCount--；

uCount = 0；

if（9 == ucCount）

ucCount = 10；

}

delay（10）；

}

void Timer0_Init（void）

{

TMOD =0x00；

TL0 = 0xd2；

TH0 =0xff；

TL1 = 0xd2；

TH1 = 0xff；

TR0 = 1；

TR1=1；

EA = 1；

ET0 = 1；

ET1=1；

}

Void Timer0（void） interruput 1 using 1

{

TL0 = 0xd2；

TH0 = 0xff；

If（uCount < ucCount）

_PWM = 1；

else

_PWM = 0；

uCount++；

uCount%=400；

}

……

3 結语

采用光伏阵列设计，通过光照强度检测，利用单片机技术，通过编程来控制太阳能光板能实时地跟随太阳运动，得到太阳光直射，从而能够获得最大的发电能力，使光伏发电系统的发电效率由原来的16.2%增加到18.8%[8]，得到大幅提高。

[参考文献]

[1]赵朝会.光伏发电技术的研究现状和应用前景[J].上海电机学院学报，2008（2）：104-109.

[2]佚名.光伏产业观察[J].市场分析，2017（5）：62.

[3]宁亚东.光伏电子工程的设计与施工[M].北京：科学出版社，2016.

[4]杜新建，李莉华，杜火青，等.光伏发电实际应用及案例分析[J].太阳能，2017（8）：18-21.

[5]曹仁贤，赵为，陈威.光伏发电与电网接入技术[J].中国电力企业管理，2009（7）：28-29.

[6]Somers.Third methods of using solar energy to generate electricity[J].Science and Technology，2011（5）：66-67.

[7]赵春江，刘永生，杨金焕.3KW家用型太阳能光伏发电（PV）系统并网后的运行和检测[J].华东电力，2009（8）：8.

[8]张勇成，田介花.分布式光伏发电系统优化设计探讨[J].太阳能，2017（8）：25-27.