基于ARM的太阳能发电控制系统的设计与实现
目前,我国国内太阳能自动跟踪器主要有：压差式太阳能跟踪器,控放式太阳跟踪,时钟式太阳跟踪器,比较控制式太阳跟踪器。纯机械式的跟踪器和时钟式的机电跟踪器精度偏低,本系统采用了精度相对较高的光敏电阻 控制的双轴太阳跟踪器的控制方式使光伏电池 始终朝向太阳;在天黑后,能够使电池板重新朝向东方,实现日循环运行。
太阳能发电控制系统
传感器 结构
该跟踪器的传感器结构见图1。设置一个圆筒形外壳,在圆筒外部东、南、西、北四个方向上分别布置4 只光敏电阻;其中P1、P3 东西对称安装在圆筒的两侧,用来粗略的检测太阳由东往西运动的偏转角度即方位角;P2、P4 南北对称安装在圆筒的两侧,用来粗略检测太阳的视高度即高度角;在圆筒内部,东、南、西、北四个方向上也分别布置4 只光敏电阻,用来精确检测太阳由东往西运动的偏转角度和太阳的视高度。
图1 传感器结构示意图
立柱转动式跟踪器
跟踪器的结构见图2。步进电机1固定在底座上,主轴及其支撑轴承安装在底座上面(主轴相对于底座可以转动),转动架以及支架固定安装在主轴上,光伏电池、步进电机2 安装在支架上面(光伏电池相对于支架可以转动),步进电机2 的输出轴连接在光伏电池上。
图2 立柱转动式跟踪器示意图
当光线发生偏移,控制部分发出控制信号驱动步进电机 1 带动转动架以及固定在转动架上的主轴、支架以及光伏电池转动;同时控制信号驱动步进电机2 带动光伏电池相对与支架转动,通过步进电机1、步进电机2 的共同工作实现对太阳方位角和高度角的跟踪[2]。
MPPT控制器
光伏电池的输出功率与它的工作电压有关(U-P曲线一般呈先上升后下降的光滑曲线,中间的某个电压值取得最大功率),只有工作在最合适的电压下,它的输出功率才会有个唯一的最大值。如：在日照强度为1000W/m2 下,U=24V,I=1A;U=30V,I=0.9A;U=36V,I=0.7A;可见30V的电压下输出功率更大。MPPT(最大功率点跟踪)控制器主要功能是:检测主回路直流电压及输出电流,计算出太阳电池阵列的输出功率,并实现对最大功率点的追踪 [3]。图 3为实际应用扰动与观察法来实现最大功率点追踪的示意图。
图3 MPPT控制实现示意图
扰动电阻 R 和MOSFET 串连在一起,在输出电压基本稳定的条件下,通过改变MOSFET的占空比,来改变通过电阻的平均电流,因此产生了电流的扰动[4]。同时,光伏电池的输出电流和输出电压亦将随之变化,通过测量扰动前后光伏电池输出功率和电压的变化,以决定下一周期的扰动方向,当扰动方向正确时太阳能光电板输出功率增加,下一周期继续朝同一方向扰动,反之,当太阳能光电板输出功率减少时,表示扰动方向错误,下一周期朝反向扰动,如此反复进行着扰动与观察来使太阳能光电板输出达最大功率点。
系统硬件设计
系统的主控制电路在整个设计中占有重要地位,它主要对主回路进行控制,保证 MPPT 算法有效实现,使 DC/DC 变换保持恒压输出,且与 LCD 的人机接口通信。它还在对蓄电池充放电的控制电路起着重要的作用。首先它对光伏电池功率的有效跟踪,使得蓄电池的充电可以得到最大功率的恒压电流。从而避免了光伏电池能量的浪费。其次,主控制器控制的恒压电流也使设计恒压充电的充放电电路变的容易。系统结构框图如图4所示。
图4系统结构框图
驱动电路
光敏电阻采用的型号为GM5516,亮电阻：5-10 K Ω,暗电阻：200K Ω以上。系统通过对4对8路(R1对应图1中的P1,R2对应图1中的P3,R3-R8同理)光敏电阻即时进行A/D采集,将所采集的模拟量转化为数字量,判断方位角和俯仰角的变化,并通过I/O(OUT1-OUT8)给步进电机1个正转或反转脉冲, 控制步进电机转向正确的方向,然后继续进行A/D采集和控制,直到信号差在一定范围之内,此时光伏电池正对太阳。电路示于图5和图6。
图5 光敏电阻采集电路
图6 步进电机驱动电路
