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太阳能电池板自动对光控制集成电路的关键技术研究

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2019-06-11 09:27:34

1  引言

太阳能是我国新兴的一种清洁能源,具有较大的发展空间和发展前景。但是随着太阳能应用范围的不断增加,太阳能发电的弊端也逐一显现。由于一天之中,太阳光照的范围、方向、强度等因素存在变化,因此太阳能的利用率就受到这些因素的制约,使得太阳能利用率普遍偏低。当前,我国太阳能电池的应用设计存在问题。而相比一些固定的太阳能电池板,自动跟踪发电设备在应用过程中更具优势[1-4]。所以,在太阳能发电工作中,电池板的自动对光就显得至关重要,这是为了提升太阳能的发电效率。

本文中研发一套可以实现对太阳光源自动跟踪的装置,也就是太阳能电池板自动对光控制系统。系统设计中主要应用到单片机技术,包括软件和硬件的设计。其中,软件设计主要包括系统流程图的设计;硬件设计中考虑到硬件需具备多功能模块以及高集成度等特点,应用型号为 C8051F005 单片机。最终设计完成的太阳能电池板自动对光控制系统能够实现根据太阳光源的变化调整电池板的转向,从而提升了太阳能的利用率,达到太阳能发电的最大效率。

2 太阳能电池板的系统方案

(1)系统方案。太阳能电池板自动对光控制系统中应用到定时法、对比法等多种方法。首先,定时法主要是对太阳光的转动角度进行计算,从而得出每分钟太阳转动的角度。根据太阳转动角度确定电动机的转速,从而使电池板的转向随着太阳光的变化而产生变化。而对比法则是模拟太阳光的转动,将两块型号相同的电池板进行同角度摆放。在太阳光发生变化时,控制电池板电动机方位保持稳定,记录两块电池板生成电流的大小数值。从而能够判断太阳光光照角度对于电池板发电的影响程度。但是在对比过程中应当考虑到不同季节太阳光变化的情况,避免由于季节因素造成实验结果精度的偏差。除此之外,系统中还应用到了采样电压比较法。通过对采样电压的变化进行分析对比,从而能够根据采样电压的变化情况进行电池板角度的调节,这样就能够自动进行跟踪。

(2)硬件设计。太阳能电池板自动对光控制系统的硬件设计结构如图 1 所示。

太阳能电池板自动对光控制系统的分压电路设计中,设定太阳能电池板额定输出电压为 20 V。此时,还不能够将太阳能电池板直接与系统中的单片机进行连接,这样很容易对单片机造成烧毁。因此,还需要应用电阻对其进行串联,从而实现分压的目的,保护单片机。

本文应用到的单片机只能够对数字信号进行识别,因此需要将单片机的 A/D 与电池板进行连接。单片机的 A/D 接口电压不应超过 24 V,而本文中设定的太阳能电池板额定输出电压为 20 V,因此 A/D 转换器允许直接与电池板进行连接。

考虑到单片机的兼容性,本文中选择的单片机型号为 C8051F005。MCU 中包含 8052 标准外设部件,以及 7 个 16 bit 的计数器/定时器、253 Byte 全双工 UART、137 Byte 特殊功能寄存器地址空间、5 Byte 宽度 I/O 端口。在太阳能电池板自动追光的系统 CIP 中,包括数字子系统和一个集成电路。CIP 为流水线结构,能够提升指令执行速度。而且,单片机系统还具备高峰值执行速度选择多元化的特点。本系统中的蓄电池选择额定输出 12 V 的储能元件。在蓄电池工作过程中,蓄电池可以自动将能量进行存储,这样就简化了操作,实现了蓄电池的自调节。蓄电池能够自动转换电能,并且将电能得以应用。而当太阳能电池板不投入使用时,蓄电池还可以作为单片机电源的供应,从而实现了单片机定时自检功能。考虑到电压的变化情况,应用降压型开关稳压器,能够对太阳能电池板自动对光控制系统进行控制,提升太阳能电池板自动对光控制系统电压调整率以及负载调整率。降压型开关稳压器可以提供最大为 3 A 的负载电流。并且实现了两种固定输出型电压以及一种输出可调节型电压。降压型开关稳压器的结构简单,而且外围元件数量较少,便于实际操作。降压型开关稳压器内置频率补偿器、两级过流保护电路、过热保护电路以及固定频率振荡器。可利用小型滤波元件进行控制。在输出负载的条件下,降压型开关稳压器的电压容差为 ±8%,降压型开关稳压器的待机电流为 60 μA。

3  电机驱动设计

(1)电机驱动电路的设计。电路设计引脚图如下。太阳能电池板自动对光控制系统的实际应用中,电机驱动的设计也是十分重要的一大因素。所以,本文中对于电机驱动的设计,设定驱动电路中直流电机的功率为 12 V。综合进行考虑,由于单片机数字电路输出电压信号存在问题,所以在设计过程中应将这一因素纳入其中。因此为了能够保证较小的电压信号也能够对电压较高的负载需用电机驱动芯片进行控制,在电机驱动设计中为了对电机驱动芯片进行控制。此外,电动机驱动芯片还能够实现对电机转动方向进行控制,从而达到恢复电池板无功率增大的转矩的目的。这样设计的好处是能够便于对电池板转向进行调节,选择型号为 LG9110 的直流电机驱动芯片。在电路对蓄电池进行充电时,此时的电压瞬间可达 12 V。而型号为 LG9110 的直流电机驱动芯片在运行过程中的电压较低,因此,为了满足型号为 LG9110 的直流电机驱动芯片的正常应用,直流减速电机功率进行电压控制。通过改变电机电流,控制芯片的最大电流满足应用需求。

(2)系统软件的设计。太阳能电池板自动对光控制系统的软件设计中,应用 C8051F005 可编程芯片。在软件设计过程中,对应硬件的各个部分,并且实现与系统硬件的相互结合,从而满足系统的应用需求。软件设计中,太阳能电池板自动对光的跟踪模式主要由软件实现。这样能够有效的提高太阳能光源跟踪的灵活性,便于随时对其进行自动调整,从而提升太阳光的利用效率。C8051F005 模块复位后,由初始化模块负责控制。达到规定的时间时,时间计时器能够自动清零。此时,对太阳能电池板上输出电压进行检测,并与设定电压数值展开比较。所测得的数值如果大于设定电压数值,那么将单片机驱动电机正向转动3度;如果所测得的数值小于设定电压数值,则此时单片机切入空闲状态。

4  结语

随着社会发展,人们对于能源的应用需求和应用都明显的提高。新能源的研发利用成为解决当前能源供应问题的首要方法。太阳能的利用在现阶段十分普遍,太阳能利用率低下的问题一直困扰着人们。

本文设计的太阳能电池板自动对光控制系统能够实现太阳光光源的自动跟踪,从而有效解决了太阳能利用效率不高的问题,并且从根本上提升了太阳能的利用效率,满足当前人们的能源使用需求。


原文标题:太阳能电池板自动对光控制集成电路的关键技术研究

文章出处:【微信号:appic-cn,微信公众号:集成电路应用杂志】


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