基于MPPT光伏LED路灯照明自动跟踪系统设计

张晓春

（铜陵职业技术学院 机械工程系，安徽 铜陵 244061）

能源和环保越来越受到人们的重视。矿物燃料都是不可再生的燃料，且与人类的生存发展都有密切的关系，随着人们大量地使用矿物能源导致了这些不可再生的能源量急剧减少，从而产生了能源危机。外界条件，如光照强度、温度等，会使光伏电池产生不同的输出功率，但每种条件下的每一时刻均存在着功率输出的最大值，现实应用可通过调整DC/DC变换电路的PWM占空比即可实现光伏阵列最大功率点的跟踪，这就是MPPT的工作原理。太阳跟踪系统有多种，如极轴跟踪、水平跟踪和与光电相结合的视日跟踪、赤道跟踪等。

1 MPPT算法分析

1.1 恒定电压法（CVT）

CVT通过拟合来实现最大功率点的跟踪。当环境温度确定不变时，尽管光照强度随时间的变化而有不同，但光伏电池的最大功率点却大约分布于对应电压所在垂直线的两侧，所以可将不同光强下的最大功率分布情况看作是以电压为常数的垂线。由此可知CVT方法忽视了环境温度变化的影响。

1.2 电导增量法

电导增量法利用电导变化量以及瞬时电导的对比来确定参考电压的变化方向，在最大功率处有：

式中：P为功率（W）；U为电压（V）；I为电流（A）。

电导增量法通过比较dI/dU和I/U的大小来判断参考电压的变化方向，可通过设置一定的阈值使两者的差别不超过阈值时不改变参考电压的状态，以免造成不必要的能力损耗。

1.3 模糊控制法

光伏电池本身进行非线性的工作过程，所以很难用一个确定的数学模型对工作过程进行描述，通常采用模糊控制来解决复杂的、非线性的问题。

虽然模糊控制跟踪迅速精确，且能够在基本无波动的情况下达到最大功率点，但模糊控制的控制规则较难确定，需要设计人员有较多的实践经验。

2 自动跟踪系统

跟踪系统的分类有很多种。常用的跟踪系统有单轴跟踪、双轴跟踪、视日跟踪、时控跟踪等。

（1）单轴跟踪。单轴跟踪是指电池板绕一个转轴旋转的跟踪方式。通过调整电池板面向太阳，不偏移太阳正方向，可获得更多光照。旋转轴一般按东西方向水平放置，因为太阳在东西方向的运动范围最大。

（2）双轴跟踪。双轴跟踪是指电池板有两个旋转轴，具有两个自由度。采用双轴跟踪系统可以使电池板作椭圆形的弧线旋转，其跟踪精度很高。双轴跟踪又可以细分为极轴垣水平轴、极轴垣赤纬轴、天轴垣赤纬轴等。

（3）时控与视日跟踪。时控跟踪可快速确定太阳的方位，但跟踪精度较低。视日跟踪的跟踪精度较高，但用于跟踪的装置较多，成本较高，视日跟踪在计算精度不够时，其控制效果并不理想。

（4）视日与光电跟踪结合。视日与光电跟踪相结合的方式是在光照充足时采用光电跟踪，在光照不足时采用视日跟踪。这两种跟踪发法的接合可弥补两者的缺点，最大限度地跟踪太阳，精度也很高。在选择跟踪方案时应首先考虑采用双轴跟踪实现全天全方位地跟踪太阳，采用视日跟踪与光电跟踪相结合实现最大限度地采集太阳光能源。

3 自动跟踪装置系统设计

（1）自动跟踪装置的机构设计。自动跟踪装置的机械部分主要包括步进电机、齿轮传动组件、涡轮蜗杆和机架组成，如图1所示。步进电机驱动小齿轮转动，小齿轮带动大齿轮转动，使电池板能够全方位地跟踪太阳。

图 1 双轴跟踪机械结构

电机驱动蜗杆1转动，电池板与齿轮1固定连接，可以实现垂直方向的转动。齿轮2与支架固定连接，当电机转动时带动蜗杆2转动，实现水平方向的转动，实现最大限度地跟踪太阳。蜗轮蜗杆传动的传动比很大、降速快、具有自锁功能，使功率较小的电机产生比较大的动力。该跟踪机构相对比较简单，使用小功率的步进电机就带动重量较大的电池板，并通过蜗杆涡轮蜗杆装置实现自锁。

（2）自动跟踪装置的控制系统设计。自动跟踪装置的控制系统部分包括：单片机微控制器、电源和复位模块、输出驱动模块、硬件电路保护模块、时钟电路、温度采集模块、蓄电池电压采集模块、蓄电池电流采集模块、电池板输出电压采集模块、电池板输出电流采集模块。

微控制器是整个控制系统的控制核心，可采用8051单片机、STM32单片机等控制器。电源与复位模块用于给系统提供电能与系统复位，使系统在发生故障时能够重新启动。输出驱动模块用于给步进电机提供驱动，实现电池板的双轴转动。硬件电路保护模块用于保护系统中的硬件，避免产生硬件烧坏等故障。温度采集模块用于采集蓄电池的温度数据，提高蓄电池的使用寿命。电压与电流采集模块用于采集电池板与蓄电池的电压与电流数据，得到电池板与蓄电池功率等数据。

4 结语

矿物能源正在急剧减少，节能、绿色、环保等概念越来越引起人们的重视。太阳能路灯是利用太阳能可再生能源为人类服务的绿色装置。如何设计与控制自动跟踪装置直接影响着太阳能路灯的利用效率。MPPT理论为蕴ED路灯高效利用太阳能提供了方法论基础，通过一定的自动跟踪装置，如双轴跟踪与视日跟踪和光电跟踪相结合，可实现电池板全方位地跟踪太阳，从而能够得到更多的光能。文章分析了MPPT算法理论与多种自动跟踪装置，并介绍了双轴自动跟踪装置的机械结构与电气控制系统，为从事蕴ED路灯自动跟踪系统设计的人员提供了参考。

参考文献

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