基于视日运动轨迹与MPPT一体化的光伏自动跟踪系统方案设计

刘韦辰+何波

为提高光伏自动跟踪系统的效率，本文设计了一套基于视日运动轨迹与MPPT最大功率跟踪一体化的光伏自动跟踪系统。该系统由基于视日运动轨迹的光伏自动跟踪系统与MPPT最大功率跟踪系统组成。基于视日运动轨迹的光伏自动跟踪系统由万年历芯片计算出当前时间，并结合当地经纬度，计算出当前位置的太阳朝向和高度，通过单片机驱动两个电机，可以控制光伏电池板进行双轴转动，最终确定电池板接收太阳最佳方位。在实现的上述功能后，通过外接扩展模块实现了基于MPPT最大功率跟踪系统，完成最大功率点跟踪功能。实验表明，基于视日运动轨迹与MPPT一体化的光伏自动跟踪系统能在不同天气状况下对太阳进行准确跟踪，不仅能够自动控制太阳能板，保证太阳能板与太阳光相垂直的情况下，同时实现了MPPT最大功率点跟踪功能，尽可能多的供给蓄电池。

【关键词】光伏自动跟踪系统 MPPT 设计

目前，对太阳能的开发利用备受人们的关注，如何提高太阳能利用率成为人们研究的焦点。高效的自动跟踪系统是提高光伏系统效率的关键的第一步。跟踪太阳的方法可概括为两种方式：光电跟踪和根据视日运动轨迹跟踪。光电跟踪是由光电传感器件根据入射光线的强弱变化产生反馈信号到计算机，计算机运行程序调整太阳能板的角度实现对太阳的跟踪。光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便；缺点是受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，会导致跟踪装置无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作。而视日运动轨迹跟踪的优点是能够全天候实时跟踪，所以本设计采用视日运动轨迹跟踪方法和双轴跟踪的办法，利用步进电机双轴驱动，通过对跟踪机构进行水平、俯仰两个自由度的控制，实现对太阳的全天候跟踪。在实现以上系统的情况下，不考虑使用MPPT最大功率跟踪系统直接用太阳能板给蓄电池供电，也在现实的情况中是完全可以的，前提是需要匹配好功率，让蓄电池不至于过充电。另外，当蓄電池充满时，需要手动断开充电回路，以免损坏蓄电池。这样的太阳能蓄电池充电系统，显得操作繁琐而且低效，繁琐在于需要人去观察电压电流以及不时转动太阳能板方向，低效则是因为太阳能板发出的电，并没有尽可能多的供给蓄电池。因此，本文在实现对太阳能的全天候跟踪的前提下，设计了MPPT最大功率跟踪系统，该系统的目的是控制最高电压，让蓄电池不至于充坏，又要控制电流，以便让太阳能板处于最大功率点。

1 系统方案设计

1.1 基于视日运动轨迹法的光伏跟踪系统方案设计

本设计采用了视日运动轨迹法，由万年历芯片计算出当前时间，并结合当地经纬度，计算出当前位置的太阳朝向和高度，结合直流电机与角度检测电位器，通过STC89C52单片机系统的计算、对比与输出控制，驱动两个电机，可以控制光伏电池板进行双轴转动，最终确定电池板接收太阳最佳方位。实现了对太阳光的追踪。具体的系统方案设计框图如图1所示。

1.1.1 时间信号的获取

本设计中，时间信号选择的是DS1302万年历芯片，在选择高精度晶振的情况下。其每天误差在3秒以内。对于普通控制系统来说，可以满足使用要求。另外，系统还具备时间调节功能，这样可以每隔一定周期手动校正时间。

1.1.2 高度与方位角的计算

要获取太阳方位，首先要知道当前时间，但是仅知道当前时间是不够的，因为地球本身是绕太阳公转，而其自身同时又在绕极轴自转。因此，地球上的不同地方，在同一时间内，太阳角度也是不一样的。为了解决这个问题，本设计可以通过修改经纬度。在获知当地时间和经纬度，由三角函数关系，可以求得当前太阳的方位角和高度角。

1.1.3 实际角度的测量

当我们计算出太阳当前方位角与高度角时，接下来要做的，就是把太阳能板的角度朝向这个方向。那么首先我们要知道目前太阳能板在什么位置，才能决定控制输出。通过设计在电路板上的两个三芯插件，连接着电路板上的A/D转换器TLC1543以及双轴机械结构上面的电位器。通过设计，电位器的转轴与电机轴是相连的，这样电机在转动时，电位器也会跟着转动，从而产生不同的电压值，这个电压值送入TLC1543进行A/D转换，从而获得当前太阳能板的方位角与高度角信号。将测量得到的实际值与计算得到的理论值进行对比，如果值偏大，则控制电机往小的一方转动，如果偏小，则往大的一方转动。因为电机转动时有惯性和冲击，所以有留有一定余量，否则系统会一直来回转动个不停。

1.1.4 输出电机的控制

因为实际角度可能比理论值大，也可能比理论值小。因此，电机既需要可以正转，又需要可以反转，而且每天只需要转动一圈。因此，我们选择控制性能好，而且电路结构简单的有刷直流电机。直流电机的控制非常简单，只需要切换输入电流方向，即可改变电机的转动方向。在日常使用中，可以通过改变接线，或者是使用双掷开关来切换。但是本设计中需要进行自动控制。选择这些显然是不合适的。为了满足这类需要，本设计应用了桥式电路。桥式电路虽然只有正负一种电压，但是对于接在桥臂上的负载来说，其电流方向是可以变化的。这种电路叫做全桥电路，或者叫H桥电路。H桥电路可以使用6个三极管搭配完成，为了让电路更加稳定可靠，本设计中选择了专用直流电机控制芯片L9110，L9110是一种集成式的H桥电路。当改变输入端电平时，其输出端电压也会发生改变。从而驱动电机转动，达到控制角度的目的。

1.2 基于MPPT最大功率光伏跟踪系统方案设计

基于MPPT最大功率光伏跟踪系统由输出控制电路、电流和电压检测电路和微处理器、AD转换等部分组成。该系统的目的是控制太阳能电池板的最高电压，让蓄电池不至于充坏，又要控制太阳能电池板的电流，以便让太阳能板处于最大功率点。具体的方案设计框图如图2所示。

1.2.1 电压的检测

电压检测电路由分压电阻与AD转换电路组成，因为太阳能板和蓄电池的输出电压均超过了AD转换器的输入电压（0-5伏），因此需要使用电阻网络进行分压，经过 AD转换器后，并由单片机经过数字转换，显示出输入电压。

1.2.2 电流的检测

电流检测电路由取样电阻、放大电路及AD转换器构成。电流检测首先要通过取样电阻把电流信号转换为电压信号，为了除低损耗，取样电阻阻值都很小，因此形成的电压信号也很小，所以需要添加放大电路将信号放大到AD转换电路可以检测的幅度，本设计中使用的是MAX4173电流专用取样芯片，本身自带20倍放大，精密可靠，且大大简化了电路结构。送入AD转换器，获得光伏板电流信号。电压与电流相乘即可以获得当前功率。

1.2.3 输出电流的控制

为了将太阳能板输出电压锁定在18.5伏附近，我们要对其输出电流进行控制。在不考虑内阻变化的情况下，输出电流小了则输出电压会升高，反之则会降低。如果使用线性元件如LM317等，虽然也能实现调节电压电流的功能，但是能量都损耗在调节部分，并不能增加输出功率。因此我们选择开关元件来担当调节电路的核心。近年来出现的开关元件有好多种，其中以凌力尔特和TI为优，但是这两者价格昂贵，且单片采购不便，本设计选择市场上极易购得的LM2596作为控制电路的核心元件，LM2596本身就是一个PWM型电源芯片，配合运放LM358和二极管组成的或门电路，可以很好的控制输出电流。因为此设计中既需要A/D轉换器来检测电压电流，又需要一个D/A输出器来控制输出电流，为方便设计选择了PCF8591，其具备4路A/D转换输入，且带一路D/A输出，满足实际的需求。

2 应用效果与结论

经过硬件电路设计、软件设计，以及软硬件调试，制作出基于视日运动轨迹与MPPT一体化的光伏自动跟踪系统设备。设备详见图3。

基于视日运动轨迹与MPPT一体化的光伏自动跟踪系统应用：

首先分析下光线夹角与发电电流的关系，如表1所示。

为保证实际一致性，测试时间尽可能短，以保证太阳光功率基本不变，且本次实验中接入了基于视日运动系统，但不考虑剔除该系统耗电的影响。在光伏板与阳光夹角偏差10度以内，发电电流与呈直角时相差不大。当夹角偏差大于30度时，电流急剧降低。当夹角偏差大于50度时，光伏板发电电流仅为90°角度时候的十分之一左右。

MPPT一体化的光伏自动跟踪系统使用LM7805降稳压，这部分电流在分析中应以扣除，因为实际应用中，功率可达几百上千瓦，而些部分耗电并不会随系统规模线性增长，可以忽略。实际的测试数据如表2所示。在保持光线夹角为90度的时候，接入了MPPT最大功率跟踪系统。

本系统在实现对太阳能的全天候跟踪的前提下， MPPT最大功率跟踪系统实现了控制最高电压为18.6V，同时让电流在0.48A，保证功率为8.92W，比起光伏板与蓄电池直接相连，又容易让蓄电池充坏，同时还不能控制电流。该系统能实现太阳能板处于最大功率点。

3 结语

基于视日运动轨迹与MPPT一体化的光伏自动跟踪系统能在不同天气状况下对太阳进行准确跟踪，不仅能够自动控制太阳能板，保证太阳能板与太阳光相垂直的情况下，同时实现了MPPT最大功率点跟踪功能，尽可能多的供电给蓄电池。

参考文献

[1]施秉旭.基于单片机的太阳能电池板自动跟踪系统的设计[J].电子技术与软件工程，2016（03）：262-262.

[2]李永霞，李战，刘畅，等.基于STC单片机的太阳能电池板自动追日系统[J].计算机应用，2013，33（S2）：331-332.

[3]刘晋芳，樊建升.固定电压法结合扰动观察法在光伏系统MPPT中的应用[J].电气技术，2015（06）：29-32.

作者简介

刘韦辰（1986-），女，陕西省榆林市人。现就读西安建筑科技大学信息与控制工程学院，控制理论与控制工程专业研究生。研究方向为光伏跟踪系统设计与控制算法研究。

作者单位

西安建筑科技大学信息与控制工程学院 陕西省西安市 710055