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最大功率點(diǎn)的獲取

晴天時(shí)，該系統(tǒng)采用的方法是追蹤最大功率點(diǎn)（MPPT），就是找到太陽(yáng)能電池輸出功率最大的位置.MPPT采用的是自尋優(yōu)的概念，實(shí)時(shí)測(cè)量光伏陣列的輸出功率，進(jìn)行比較后，自動(dòng)地尋找到最大功率點(diǎn).不斷地尋找，不斷地調(diào)整，不斷地再尋找，如此周而復(fù)始.該方法可以自動(dòng)適應(yīng)一年四季太陽(yáng)位置的變化，無(wú)需人工干預(yù)，十分有利于提高系統(tǒng)的全年效率[5].太陽(yáng)能電池的U-I特性具有非線性，并且它隨著外界環(huán)境(溫度、日照強(qiáng)度)的變化而變化，在某一特定的溫度或日照強(qiáng)度下總存在著一個(gè)最大功率點(diǎn).太陽(yáng)能電池陣列的輸出功率特性曲線如圖2所示[6].由圖2可知，最大功率點(diǎn)幾乎分布在一條垂直線的兩側(cè)，可以將最大功率點(diǎn)看作是對(duì)應(yīng)著某一個(gè)恒定電壓Un.該系統(tǒng)采用一個(gè)小型太陽(yáng)能電池板作為系統(tǒng)的位置傳感器，每隔5min讀取1次輸出電壓.如果測(cè)量值比設(shè)定的最大值小，則需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正向轉(zhuǎn)動(dòng)；如果測(cè)量值比設(shè)定的最大值大，則需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；如果測(cè)量值等于設(shè)定的最大值，則不需要驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，說(shuō)明此時(shí)位置合適.該系統(tǒng)采用干擾觀測(cè)法，這種方法能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行MPPT控制，但在最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，穩(wěn)態(tài)輸出波形有一定波動(dòng)，偏差較大.因此，擾動(dòng)步長(zhǎng)設(shè)定無(wú)法兼顧跟蹤精度和響應(yīng)速度，需進(jìn)行多次嘗試才能選定最佳步長(zhǎng)，而且在光照強(qiáng)度劇烈變化時(shí)會(huì)出現(xiàn)誤判.所以這種方法適用于對(duì)控制精度要求不是特別高的情況.例如，各種獨(dú)立太陽(yáng)能路燈、太陽(yáng)能景觀系統(tǒng)等小功率系統(tǒng)，采用干擾觀測(cè)法進(jìn)行MPPT控制足以滿足控制精度，且參數(shù)調(diào)整合理匹配.

主要模塊電路設(shè)計(jì)

時(shí)鐘芯片

由于該系統(tǒng)在陰天時(shí)需通過(guò)當(dāng)前時(shí)間進(jìn)行太陽(yáng)位置計(jì)算，因此，需要采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘，系統(tǒng)選用了時(shí)鐘芯片DS1302.該器件具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可提供秒、分、時(shí)、日、星期、月和年（閏年補(bǔ)償）.DS1302有2個(gè)電源，一個(gè)是主電源Vcc2，另一個(gè)是備份電源Vcc1.主電源Vcc2同單片機(jī)一樣接5V電源，而備份電源Vcc1使用的是2節(jié)1.5V干電池.在系統(tǒng)電源被切斷的情況下，DS1302也能正常工作，保證日期、時(shí)間的準(zhǔn)確性.X1，X2用來(lái)外接晶振，晶振的頻率為32.768kHz.

A/D轉(zhuǎn)換

A/D轉(zhuǎn)換的主要作用是把位置傳感器兩端采集的電壓值（0~5V的模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量.該系統(tǒng)采用PCF8591芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，它具有8位的二進(jìn)制轉(zhuǎn)換精度.傳感器采集的模擬量與數(shù)字量對(duì)應(yīng)關(guān)系的典型值對(duì)應(yīng)：+5V對(duì)應(yīng)值為FFH，2.5V對(duì)應(yīng)值為80H，0V對(duì)應(yīng)值為00H.PCF8591與單片機(jī)的連接如圖3所示.

傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

傳動(dòng)部分決定著該系統(tǒng)效率的高低、精度的大小.該系統(tǒng)是單軸跟蹤，只調(diào)整方位角，步進(jìn)電機(jī)就是依靠帶動(dòng)齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用裝置的方位角ψ到位的.該系統(tǒng)在帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)中選擇了齒輪傳動(dòng).齒輪傳動(dòng)可以做成開(kāi)式、半開(kāi)式及閉式，該系統(tǒng)選擇了開(kāi)式齒輪傳動(dòng).在開(kāi)式齒輪設(shè)計(jì)中主要考慮以齒根彎曲疲勞強(qiáng)度和保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度這2個(gè)準(zhǔn)則，系統(tǒng)選擇了2個(gè)齒數(shù)分別為16和96的一套齒輪，模數(shù)m=2.5，齒數(shù)z1=16，z2=96，傳動(dòng)比i=6，壓力角a=20°，齒頂系數(shù)ha=1，齒根系數(shù)hf=0.25，中心距a=140.齒輪是重要零件，由于該系統(tǒng)要求的旋轉(zhuǎn)速度不高，考慮到使用壽命和露天的工作環(huán)境，選用了優(yōu)質(zhì)碳鋼（45#鋼）材質(zhì)的齒輪，耐磨性好，如果沒(méi)有過(guò)大的外力損傷，一般不會(huì)壞.

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主程序

該系統(tǒng)主程序包括初始化單片機(jī)功能模塊、選擇當(dāng)前工作方式環(huán)節(jié)，從而保證可靠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用裝置始終正對(duì)太陽(yáng).主程序流程如圖4所示.

測(cè)量追蹤子程序

測(cè)量追蹤子程序是在晴天時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)讀取傳感用太陽(yáng)能電池的輸出電壓判斷太陽(yáng)能的吸收狀態(tài)，從而調(diào)整太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換利用裝置準(zhǔn)確到達(dá)位置.子程序流程如圖5所示.

視日運(yùn)動(dòng)追蹤子程序

視日運(yùn)動(dòng)子程序是在陰天時(shí)啟動(dòng)，通過(guò)輸入的當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度信息、讀取的時(shí)間信息計(jì)算出太陽(yáng)的準(zhǔn)確位置，去實(shí)現(xiàn)跟蹤.子程序流程如圖6所示.

系統(tǒng)安裝

太陽(yáng)能電池板的方位角與高度角對(duì)其吸收太陽(yáng)能都有很大影響，考慮到是單軸追蹤，只有東西方向可以自動(dòng)調(diào)整，所以，在安裝過(guò)程中要根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)固定好南北方向的安裝角.因?yàn)槭枪潭ń嵌?，在角度選取上一般采用犧牲一些夏天的能量，盡量增加一些冬天的能量的原則.例如，某地區(qū)夏至日的最大高度角為74.6°，相應(yīng)安裝角為15.4°；冬至日的最大高度角為27.7°，相應(yīng)安裝角為62.3°，則取其平均值為(15.4°+62.3°)/2≈39°.考慮到9：00—11：00，13：00—15：00的情況，此安裝角可適當(dāng)調(diào)大(+5°~+8°).該系統(tǒng)也可以隨季節(jié)調(diào)節(jié)安裝角，夏季略小，冬季略大，而春季和秋季可與當(dāng)?shù)鼐暥认喈?dāng).該系統(tǒng)在安裝時(shí)，首先要確定安裝地點(diǎn)的經(jīng)緯度，計(jì)算出高度角和方位角.再根據(jù)時(shí)間和季節(jié)進(jìn)行估算定位.在寧夏地區(qū)，考慮到9：00—11：00，13：00—15：00的情況，可以使夏季為20°~24°，冬季為67°~70°，春分、秋分以調(diào)節(jié)到當(dāng)?shù)鼐暥燃?0°為好.

本文作者：藺金元作者單位：寧夏大學(xué)