基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.074

基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统设计

李争^,^,¹, 罗晓瑞¹, 解波¹, 曹欣², 孙鹤旭¹

1.河北科技大学电气工程学院，河北石家庄 050018

2.河北建投新能源有限公司，河北石家庄 050051

Design of solar intelligent tracking system based on light intensity perception

LI Zheng^,^,¹, LUO Xiao-rui¹, XIE Bo¹, CAO Xin², SUN He-xu¹

1.School of Electrical Engineering, Hebei University of Science and Technology, Shijiazhuang 050018, China

2.Hebei Construction & Investment New Energy Co. , Ltd. , Shijiazhuang 050051, China

收稿日期: 2022-03-02 修回日期: 2022-03-17

基金资助:

国家自然科学基金资助项目.  51877070.  51577048.  U20A20198
河北省重点研发计划项目.  19214501D.  20314501D
河北省自然科学基金资助项目.  E2021208008

Received: 2022-03-02 Revised: 2022-03-17

作者简介 About authors

李争（1980—），男，河北石家庄人，教授，博士，从事新型电机和执行器的设计、分析和控制，可再生能源发电以及电力电子装置设计等研究，E-mail：Lzhfgd@163.com，http：//orcid.org/0000-0003-2383-7607 , E-mail：Lzhfgd@163.com

摘要

为提高太阳能的利用率，根据最大功率跟踪原理，设计了一种基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统。首先，从太阳能智慧跟踪系统的工作原理出发，对其结构进行总体设计；然后，基于太阳能智慧跟踪系统各模块的性能需求，开展硬件设备选型和软件设计；最后，搭建相应的实验平台对太阳能智慧跟踪系统进行组装和调试，并通过功能测试验证了其性能。结果表明，所设计的太阳能智慧跟踪系统可以实现太阳能板对太阳光的智慧追踪，且能完成远程控制；另外，该系统结构简单，成本较低，既能节约能源，又能提供良好的供电水平，满足了高科技产品的需求，符合现代能源利用发展趋势。

关键词： 智慧跟踪 ; 设备选型 ; 软件设计 ; 远程控制

Abstract

In order to improve the utilization of solar energy, a solar intelligent tracking system based on light intensity perception was designed according to the maximum power tracking principle. Firstly, based on the working principle of the solar intelligent tracking system, its overall structure was designed; then, based on the performance requirements of each module of the solar intelligent tracking system, the hardware equipment selection and the software design were carried out; finally, the corresponding experimental platform was built to assemble and debug the solar intelligent tracking system, and its performance was verified through functional test. The results showed that the designed solar intelligent tracking system could realize the intelligent tracking of solar panel to sunlight, and could complete remote control; in addition, the system had the advantages of simple structure and low cost, and it could not only save energy, but also provided good power supply, which met the needs of high-tech products, and conformed to the development trend of modern energy utilization.

Keywords： intelligent tracking ; equipment selection ; software design ; remote control

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本文引用格式

李争, 罗晓瑞, 解波, 曹欣, 孙鹤旭. 基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统设计. 工程设计学报[J], 2022, 29(5): 627-633 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.074

LI Zheng, LUO Xiao-rui, XIE Bo, CAO Xin, SUN He-xu. Design of solar intelligent tracking system based on light intensity perception. Chinese Journal of Engineering Design[J], 2022, 29(5): 627-633 doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.074

在“双碳”目标下，可再生能源的开发显得尤为重要。其中，太阳能资源的开发和利用具有广阔的发展前景^［1-3］。目前，已投入使用的太阳能设备有很多，如太阳能电池板、太阳能热水器等，但这类设备的太阳能利用率较低且能量转换效率较低。因此，设计和实现可提升太阳能收集效率的太阳能智慧跟踪系统尤为重要^［4-5］。

为最大化太阳能的利用率，国内外学者做了大量研究。例如：罗来武等人^［6］研制了跟踪式聚光光伏发电系统；秦佳妮等人^［7］对太阳能发电跟踪装置远程测试系统进行了研究；白涛^［8］提出了一种太阳光追踪照明系统的控制方法；韩悦等人^［9］研发了基于STM32的多功能太阳能追踪系统。但是，联网太阳能光伏发电技术发展缓慢，仍处于初级的实验研发阶段，尚缺乏能够大规模应用的成熟商业化产品。

综上，在太阳能发电的基础上，结合最大功率跟踪原理，笔者提出了一种基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统。首先，对太阳能智慧跟踪系统的工作原理进行分析，并对其总体结构进行设计；然后，根据太阳能智慧跟踪系统对各模块的功能需求，对系统的硬件设备进行选型并对其软件进行设计；最后，搭建实验平台以进行太阳能智慧跟踪系统的组装、调试，同时开展功能测试来验证其性能。

1 太阳能智慧跟踪系统总体设计

基于太阳能板的光伏效应，为实现太阳能利用率的最大化，太阳能智慧跟踪系统设有2种工作模式：自动模式和手动模式。在自动模式下，该系统通过光敏电阻将光信号转化为电信号，由于太阳能板两侧的光照强度不同，使得两侧光敏电阻的阻值不同，故太阳能板两侧的电压不同，利用电压比较器可实现太阳能板两侧光照强度的比较，从而控制步进电机带动太阳能板向光照强度较强的一侧转动。在手动模式下，使用按键或手机APP（application，应用程序）来控制步进电机动作，通过其正向或反向转动来调节太阳能板的位置^［10-12］。

太阳能智慧跟踪系统的工作原理如下：当系统不需要用电时，若有阳光，则太阳能板吸收光能并跟随太阳转动，以提高采光效率，光能转化为电能后存储在锂电池中。当系统需要用电时，若有阳光，则太阳能板吸收的光能优先用于供电，但当太阳能板所吸收光能无法满足用电需求时，需联合锂电池共同供电；若无阳光，则直接用锂电池供电。在跟踪过程中，太阳能板的光照强度和锂电池的存储电量在液晶显示器上实时显示。同时，在系统控制器的驱动下，可通过蓝牙通信设备将液晶显示屏上的信息数据传输至手机APP，利用Android软件开发平台即可实现数据的远程监测。在不同的太阳光照强度下，可通过远程控制切换自动模式和手动模式^［13-14］。

基于上述工作原理，结合模块化思想对太阳能智慧跟踪系统的结构进行总体设计。该系统主要由太阳能采集模块、电机控制模块、充电模块、主控模块、显示模块、手机APP蓝牙通信模块以及A/D（analog/digital，模/数）转换模块等组成，其组成框图如图1所示^［15］。

图1

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图1 太阳能智慧跟踪系统组成框图

Fig.1 Composition block diagram of solar intelligent tracking system

2 太阳能智慧跟踪系统硬件设备选型

2.1　主控模块

主控模块是整个太阳能智慧跟踪系统的核心，负责调控电路、执行程序和驱动负载，其主要由复位电路、时钟电路和电源等组成。鉴于所设计系统的功能较为简单，对主控模块的要求不高，而STC89C52单片机价格便宜，编程难度小，因此选取STC89C52单片机作为主控模块。主控模块的电路图如图2所示。

图2

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图2 主控模块电路图

Fig.2 Circuit diagram of main control module

2.2　A/D转换模块

ADC0832芯片具有两级输入寄存器，能直接与STC89C52单片机进行通信，且具有体积小、性价比高和兼容性强等特点。因此，选取ADC0832芯片作为A/D转换器，用于配合光敏电阻和电压比较器实现电压采集和信号转换。A/D转换模块的电路图如图3所示。

图3

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图3 A/D转换模块电路图

Fig.3 Circuit diagram of A/D conversion module

2.3　充电模块

充电模块主要由太阳能板、充电电路、锂电池、自锁开关和升压电路组成。其中，锂电池的材料为锂金属或锂合金，具有较高的电压，一般为3.7 V或3.2 V，约是3个镍镉电池的串联电压；且其能量密度相对较高，重量较小以及寿命较长，一般可使用6年以上，最多可充放1 000次左右。此外，锂电池还具有高功率承受力、低自放电、无记忆效应以及温度适应性强（可适应的温度范围为-20~60 ℃）等优势。综上，选择锂电池作为蓄能电池有显著优势。

在太阳能智慧跟踪系统的工作过程中，有可能会出现锂电池电量不足的情况。当供电电压不足5 V时，太阳能板无法对系统供电。因此，添加了一个升压电路，即将锂电池的电压稳定升至5 V，以实现稳定供电。充电模块的电路图如图4所示。

图4

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图4 充电模块电路图

Fig.4 Circuit diagram of charging module

2.4　电机控制模块

在太阳能智慧跟踪系统运行过程中，为了确保太阳能板能一直在最大功率下工作，须使其自主地根据时刻变化的太阳光进行顺时针或逆时针转动，从而始终保持正对太阳光的照射位置。太阳能板的转动主要是通过控制全桥电路上下管的交替导通来使电压换向，从而驱动步进电机正向、反向转动来实现的。电机控制模块的电路图如图5所示。

图5

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图5 电机控制模块电路图

Fig.5 Circuit diagram of motor control module

2.5　太阳能采集模块

太阳能采集模块主要由光敏电阻、电压比较器和发光二极管（light emitting diode， LED）等组成。其中，电压比较是太阳能采集过程中最为关键的一环，故电压比较器的选择尤为重要。本文选用LM393电压比较器，其是一个两路电压比较器，通过对输入端的2个电压进行比较后，根据其大小关系输出相应的电压。太阳能采集模块的电路图如图6所示。

图6

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图6 太阳能采集模块电路图

Fig.6 Circuit diagram of solar energy acquisition module

3 太阳能智慧跟踪系统软件设计

太阳能智慧跟踪系统的软件设计主要包括：主控程序设计、A/D转换程序设计、显示程序设计和手机APP蓝牙通信程序设计^［15-17］。鉴于主控程序和A/D转换程序为太阳能智慧跟踪系统中最关键的软件程序，故本文仅对其进行详细介绍。

3.1　主控程序设计

太阳能智慧跟踪系统的主控程序主要由初始化、数据运算、蓝牙连接和显示等4个部分组成，其设计的基本思路如下：首先，对系统进行初始化并定义相关参数；然后，检测太阳能板（始终倾斜于水平线45°）两侧的电压并进行比较，当太阳能板一侧的电压明显大于另一侧时，利用步进电机带动太阳能板朝电压小的一侧转动，以吸收光能并转化为电能存储在锂电池中；最后，检测锂电池的电压并显示在液晶显示屏上。太阳能智慧跟踪系统主控程序的流程如图7所示。

图7

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图7 太阳能智慧跟踪系统主控程序流程

Fig.7 Main control program flow of solar intelligent tracking system

太阳能智慧跟踪系统可通过4个按键或4个手机APP指令实现整个系统的运转，其工作流程如下：打开电源，系统默认为自动模式，根据当前的光照情况自动调节太阳能板位置，以实时跟踪太阳光。当按下按键1或通过手机APP发送“M+回车符”指令时，系统会切换到手动模式，太阳能板不再根据太阳光照强度自主旋转。当按下按键2或通过手机APP发送“Z+回车符”指令时，太阳能板进行正向旋转；当按下按键3或通过手机APP发送“F+回车符”指令时，太阳能板进行反向旋转；当按下按键4或通过手机APP发送“T+回车符”指令时，太阳能板将吸收的光能存储到锂电池中，实现系统的自主供电；同时，将检测到的电压值和锂电池的剩余电量实时显示在液晶显示屏或手机APP上。

3.2　A/D转换程序设计

在太阳能智慧跟踪系统中，须将光敏电阻采集的模拟信号转换成数字信号，该系统采用ADC0832芯片实现A/D转换，其可同时测量两路电压，测量范围为0~5 V。A/D转换程序流程如图8所示：在需要测量电压时，通过串行协议打开ADC0832芯片片选，并将D0端设为高阻态；然后，设置ADC0832芯片起始位和双通道的单极性输入，当D0端为低电平时，选择通道0，当D0端为高电平时，选择通道1；接着，D0端取消高阻态，准备接收数据，通过循环依次读取数据；最后，在完成数据读取后取消ADC0832芯片片选。

图8

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图8 太阳能智慧跟踪系统A/D转换程序流程

Fig.8 A/D conversion program flow of solar intelligent tracking system

4 太阳能智慧跟踪系统调试与功能测试

4.1　硬件调试

根据上述模块的电路连接原理，对各硬件设备进行焊接，在完成其余模块与主控模块的连接后，进行电路连通情况检查以及功能实现调试。组装完成的太阳能智慧跟踪系统实物如图9所示^［18-19］。

图9

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图9 太阳能智慧跟踪系统实物

Fig.9 Physical object of solar intelligent tracking system

在太阳能智慧跟踪系统硬件调试阶段：

1）在太阳光照较充足的条件下开展现场模拟，若充电不正常，则可能是电压过大导致稳压二极管烧坏故障，需检查连接电路并在更换二极管后再次开展实验^［20-21］。

2）在锂电池充电过程中，若充电电流设置太小，则无法满足负载流水灯的使用要求，须重新设置充电电流。

3）在调试单片机时，若单片机无法控制指示灯，则可能是三极管发射极电压过高所致。当单片机输出高电平时，三极管的基极与发射极的压差大于0.7 V，仍能导通。因此，需要通过调节滑动变阻器来改变三极管发射极的电压。

4.2　软件调试

软件调试是指对太阳能智慧跟踪系统的整个控制流程进行调试，以使其性能更加完善。

根据太阳能智慧跟踪系统各模块的功能，对各程度代码进行编写、检查和调试。通过下载器将编译好的程序文件下载到单片机存储器内并上电调试，观察太阳能板是否能实现太阳光追踪、锂电池和太阳能板是否能正常为系统供电以及液晶显示屏是否能正常显示。

在软件调试过程中，初始设计参数往往难以满足系统实际需求，必须通过不断的调试来确保系统功能实现。

4.3　整机功能测试

4.3.1　通电检查

完成软硬件调试后，对太阳能智慧跟踪系统的输入电压和各模块的电压进行测试，保证电压正常，且其输入误差在允许范围内。

4.3.2　功能检查

1）太阳能采集功能。

开机后，上电复位，对系统进行初始化，然后利用手电筒对太阳能板左右照射，以模拟时刻变化的太阳光的照射。若太阳能板能随照射方向转动，则说明太阳能采集功能正常。

2）供电功能。

系统采用太阳能板和锂电池双重供电方式，无需外部供电。在系统运行后，将太阳能板放置于黑暗的环境中，此时若系统仍可正常运行，则说明锂电池供电正常。将太阳能板置于光照条件下，若液晶显示屏上实时显示锂电池电量增加，则说明太阳能板供电正常。

3）显示功能。

在系统运行后，对其显示功能进行测试。在系统运行后，若液晶显示屏能够实时更新和显示当前的光照强度和锂电池的剩余电量（见图10），则说明其显示功能正常。

图10

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图10 液晶显示屏界面

Fig.10 Liquid crystal display screen interface

4）手机APP运行功能。

打开手机蓝牙，进行配对连接，可通过语音提示确认是否连接成功。尝试利用蓝牙将所检测的光照强度和锂电池电量传输至手机APP，若能查看液晶显示屏上的数据信息，则说明该APP能够正常运行。同时，利用手机APP在不同环境下发送不同指令，观察系统能否实现自动模式或手动模式的调整，若能正常实现切换，则说明远程控制功能可实现。

4.3.3　功能测试结果

硬件调试后，测得太阳能板两侧的正常电压为12.87 V。经升压电路后，系统电压稳定为10.16 V，三极管基极的电压为5.17 V，控制充电电压为5.03 V，锂电池充满后电压为3.7 V。为验证所设计太阳能智慧跟踪系统的优势，特与太阳能固定轴系统进行比较，通过对比不同时刻输出电压来判断其优劣。图11所示为晴天条件下2种太阳能跟踪系统输出电压随时间的变化情况。由图可知，随着太阳光照强度的变化，太阳能固定轴系统和太阳能智慧跟踪系统均能够进行发电；相较于太阳能固定轴系统，太阳能智慧跟踪系统在太阳光捕获方面更具优势，且其对光照强度的响应更加灵敏，输出电压较高。

图11

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图11 太阳能跟踪系统输出电压随时间的变化情况

Fig.11 Change of output voltage of solar tracking system with time

5 结论

为解决现实生活中太阳能密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题，设计了一款基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统，以提高太阳能利用率。经过实际验证，所得结论如下：

1）基于STC89C52单片机的主控模块可根据对不同环境下光照强度的准确判断，实现太阳能板对太阳光的智慧追踪。

2）手机APP可实现远程控制，整个太阳能智慧跟踪系统可在自动模式和手动模式下工作。

3）采用太阳能板与锂电池相结合的供电方式，可以提高太阳能的利用率。

4）与太阳能固定轴系统相比，太阳能智慧跟踪系统结构简单，成本较低，既能节约能源，又能提供良好的供电水平，满足高科技产品的需求，也符合现代能源利用的发展趋势。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

陈亚丽，杨伟兵.

一种基于单片机控制的太阳能电池板系统设计

［J］.西安文理学院学报（自然科学版），2018，21（2）：50-52.