邸子旭，曾林鵬，黃旭陽(yáng)，王晶晶，魯書瑋，汪 源

（三亞學(xué)院 理工學(xué)院，海南 三亞 572022）

0 引 言

太陽(yáng)能是指太陽(yáng)光輻射到地球上的能量，其主要的利用方式有光熱轉(zhuǎn)換（太陽(yáng)能熱水器）、光電轉(zhuǎn)換（光伏發(fā)電）和光化學(xué)轉(zhuǎn)換等[1]。盡管太陽(yáng)輻射到地球大氣層的能量?jī)H為其總輻射能量的22億分之一，但每秒照射到地球上的能量也相當(dāng)于500萬(wàn)噸煤燃燒所提供的[2]。然而由于太陽(yáng)能資源受到季節(jié)、晝夜、地理緯度、海拔高度及天氣等因素的影響，其穩(wěn)定性不高，且太陽(yáng)能利用裝置成本較高，因此太陽(yáng)能的利用還不是很普及。因此，有效提高太陽(yáng)能的利用效率就成為最重要的問(wèn)題。

現(xiàn)有光伏發(fā)電設(shè)備大多是以固定方位安裝的光伏模塊作為能量采集裝置，設(shè)計(jì)方式單一，占用空間大，成本高昂，基于方位固定，光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率易受周圍物體遮擋、太陽(yáng)位置變化等因素變化而改變[1]。

文獻(xiàn)[2]對(duì)于低緯度地區(qū)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了詳細(xì)的研究，通過(guò)數(shù)據(jù)擬合的方式分析了太陽(yáng)方位角和高度角對(duì)光伏強(qiáng)度的影響，同時(shí)文獻(xiàn)[3]對(duì)于光伏模塊方位與太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率之間的關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)的研究，說(shuō)明優(yōu)化光伏模塊的方位是提升光伏模塊光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素之一。本文所設(shè)計(jì)的光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置，可根據(jù)不同時(shí)刻太陽(yáng)方位角和高度角變化引起的光照強(qiáng)度變化來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)光伏模塊的方位[4]，使白天的大部分時(shí)刻太陽(yáng)光都能垂直照射光伏模塊，進(jìn)而提高光伏模塊的光電轉(zhuǎn)化效率。

圖1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

1 光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置的設(shè)計(jì)

本文主要通過(guò)傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置，整個(gè)系統(tǒng)主要由傳感器模塊、步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)控制模塊和光伏模塊等部分組成，整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示。光伏模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供能源，傳感器模塊檢測(cè)環(huán)境物理量，為單片機(jī)控制模塊的控制決策提供依據(jù)，進(jìn)而控制電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)整光伏模塊的方位，提升光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率。

1.1 傳感器模塊

傳感器模塊由4個(gè)光強(qiáng)傳感器、1個(gè)溫濕度傳感器組成，主要作用是感知光照強(qiáng)度、溫度和濕度等環(huán)境參數(shù)。通過(guò)4個(gè)光強(qiáng)傳感器接收的不同光強(qiáng)信息來(lái)確定什么方位光強(qiáng)最大，以此為依據(jù)來(lái)判斷光伏模塊的最優(yōu)方位。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到實(shí)際情況中入射太陽(yáng)光不論從何種方向照射均為平行光，為確保4個(gè)光強(qiáng)傳感器所采集到的光強(qiáng)信號(hào)有較大區(qū)分度且真實(shí)可靠，在光伏模塊上安裝傳感器時(shí)，4個(gè)光強(qiáng)傳感器與光伏模塊平面并非垂直，都向中心形成相同的傾斜角，使不同光強(qiáng)傳感器能夠接收到不同的光強(qiáng)信號(hào)，具體安裝時(shí)的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 光強(qiáng)傳感器安裝設(shè)計(jì)圖

在比較多種傳感器的靈敏度、耗電功率等參數(shù)的基礎(chǔ)上，選擇靈敏度較高且功率較低的BH1750光強(qiáng)傳感器和DHT11溫濕度傳感器。光強(qiáng)傳感器檢測(cè)物理環(huán)境產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)I2C總線傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)，經(jīng)過(guò)信息處理，產(chǎn)生信號(hào)控制光伏模塊自動(dòng)調(diào)節(jié)方位。溫濕度傳感器檢測(cè)環(huán)境溫度和濕度，當(dāng)環(huán)境溫濕度超過(guò)警戒值時(shí)系統(tǒng)將報(bào)警，確保系統(tǒng)工作于正常的環(huán)境下。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

1.2 步進(jìn)電機(jī)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示，選用ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)28BYJ4-48步進(jìn)電機(jī)，對(duì)光伏模塊進(jìn)行方位調(diào)節(jié)。ULN2003驅(qū)動(dòng)芯片接收到控制模塊產(chǎn)生的控制信號(hào)后，向28BYJ4-48步進(jìn)電機(jī)發(fā)送相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)指令，實(shí)現(xiàn)光伏模塊自動(dòng)向不同方位進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率的提升。

1.3 單片機(jī)控制模塊

單片機(jī)控制模塊是本系統(tǒng)的控制核心，選用STC89C52RC單片機(jī)作為主控制器。單片機(jī)接收光強(qiáng)傳感器的信號(hào)后，通過(guò)C語(yǔ)言程序進(jìn)行計(jì)算后產(chǎn)生控制步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作的控制信號(hào)，發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而控制光伏模塊方位的改變，程序控制策略如圖4所示。傳感器模塊與單片機(jī)之間使用I2C總線方式傳輸數(shù)據(jù)。傳感器模塊中每個(gè)傳感器都具有不同的硬件器件地址，通過(guò)在I2C總線上進(jìn)行硬件地址的廣播可以做到與相對(duì)應(yīng)的硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，完成數(shù)據(jù)交換，所有傳感器將共用一組I2C總線，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行順序進(jìn)行逐個(gè)訪問(wèn)，并將每個(gè)傳感器的具體數(shù)值傳輸給單片機(jī)。在對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行感知的同時(shí)，將傳感器的數(shù)據(jù)顯示在LCD12864顯示電路中，便于工作人員觀察和記錄。

圖4 系統(tǒng)程序控制策略圖

2 系統(tǒng)測(cè)試

在對(duì)上述各模塊進(jìn)行功能測(cè)試后，按照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)組裝整體系統(tǒng)并將編寫好的C語(yǔ)言程序燒錄單片機(jī)后進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。實(shí)際測(cè)試效果如圖5所示。從系統(tǒng)測(cè)試的結(jié)果來(lái)看，選用額定電壓為5 V、額定功率為1 W的太陽(yáng)能光伏模塊作為系統(tǒng)電源，其輸出功率可達(dá)到步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)的額定功率，光伏模塊隨著太陽(yáng)方位的變化而隨之調(diào)整，相比于固定方位的光伏模塊，方位可調(diào)的光伏模塊光電轉(zhuǎn)換效率得到了提高。

3 結(jié) 論

本光伏模塊方位調(diào)節(jié)裝置采用STC89C52單片機(jī)作為核心控制模塊，通過(guò)傳感器技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，利用4個(gè)光強(qiáng)傳感器接受光照強(qiáng)度的變化，通過(guò)I2C總線將光強(qiáng)信號(hào)傳輸給單片機(jī)模塊，單片機(jī)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理后，將產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)指令發(fā)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)對(duì)光伏模塊的方位進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高光伏模塊的光電轉(zhuǎn)換效率。經(jīng)過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，整個(gè)光伏模塊方位調(diào)節(jié)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、使用時(shí)間長(zhǎng)、控制準(zhǔn)確度，系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)價(jià)值較好，有較強(qiáng)的應(yīng)用推廣前景。

圖5 系統(tǒng)整體測(cè)試圖