李迪龙 王晓明 黄一轩 徐梓瑞 曲世全
摘要：对中国而言，太阳能的开发利用具有深远的现实意义。目前我国太阳能发电所采用的方式结构简单，成本低廉。但是我们熟知的太阳能有一定缺陷。在太阳能发电系统中，如何将太阳能的发电效率调节到最大和将直流供电转换成交流成为了重点。由于太阳能强度和方向的不确定性特点给太阳能收集带来了一定难度。设计一种更加智能的太阳能发电装置能有效克服以上缺点够提高太阳能的吸收效率，更高效的利用太阳能。
关键词：太阳能；智能；高效；
太阳能是一种取之不尽，用之不竭的绿色可再生能源，受到越来越多的关注。对中国而言，太阳能的开发利用具有深远的现实意义。它不仅能解决能源质量低劣、煤炭长期存在的问题。同时，它可以大大减少化石燃料燃烧产生的有害物质对环境的负面影响，如空气污染，酸雨，温室效应，生态平衡损害等。确保我国可持续发展战略的实施。换句话说，太阳能的开发利用不仅是中国面临的紧迫局面，也是大势所趋。以目前的科技能力而利用太阳能的形式，主要有太阳能光伏发电和太阳能热利用。太阳能光伏发电及利用太阳能的照射，将太阳能转化为电能。从太阳能获得电力，需要通过太阳电池进行光电变换来实现。目前我国太阳能发电所采用的方式为：将太阳电池发出的电能给蓄电池充电，而蓄电池直接给负载供电，此类系统结构简单，成本低廉。但是我们熟知的太阳能有一定缺陷，他无法根据光照强度，光照方向进行调整。太阳的自动跟踪和非自动跟踪相比，能量接受率相差37.7%，由于大多为交流负载，以直流电力供电的光伏电源很难作为商品进入市场。在太阳能发电系统中，如何将太阳能电池板的发电效率调节到最大和将直流供电转换成交流成为了重点。由于太阳能强度和方向的不确定性以及光照间歇性特点给太阳能收集带来了一定难度。太阳能追光系统能够提高太阳能的吸收效率，克服以上缺点高效利用太阳能，有着重要价值。同时，在太阳能发电系统中如何实现直流转交流的逆变，对与太阳能发电装置的实际运用，将会具有极大的价值。
1系统方案设计
智能太阳能发电装置，包含了arduino开发控制板、可转向的双自由度云台，太阳能电池板，太阳光捕捉装置，直流交流转换装置。其中，arduino开发控制板用于控制双自由度云台的转向和接受太阳光捕捉装置对光照强度的数据检测结果，可转向的双自由度云台用于承载太阳能板与阳光捕捉装置，实现太阳能电池板朝向的调整。利用锂电池对太阳能转化成的电能经行储存，并将锂电池接入直流交流转换装置将直流转换成交流对交流用电器经行供电器。该装置一方面能智能的追踪太阳的方向，实时的进行太阳光的捕捉，调整太阳能电池板的朝向，使太阳能电池板始终朝向太阳。时刻保持太阳能电池板最大的受光面积和最大光强，从而提高太阳能对光能的收集，提高光能利用率。另一方面，在太阳能的输出端，我们添加了一份直流转交流的转换电路，以便于交流电器的供电需求。
2、双自由度转向云台
双自由度转向云台采用的是两个180°的996R舵机，与铁质支架组成。通过arduino开发板控制。通过arduino开发板输出的电平信号，舵机会转动相应的角度，实现双自由度的转动调整。（可实现上下180°，和左右180°的转动和调节）
3、太阳光捕捉装置
太阳光捕捉装置采用的是四个光敏模块，利用光敏传感器对太阳光强进行检测，内部含有光敏电阻，光敏电阻根据光照强度产生模拟信号，内部通过对数值进行比较，并将比较所得的结果传递给arduino开发控制板，由arduino开发控制板向舵机发送旋转指令，调节双自由度可控云台的转动方向，以实现哪边光照强舵机便向哪个方向转动，当光强相等舵机停止转动。保持太阳能电磁板的朝向始终是光照强度最大的一面。
4、Arduino 开发控制板
主要包含两个的部分：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的计算机中的程序开发环境。通过Arduino IDE将控制云台与检测太阳光捕捉装置的程序写好，并上传到Arduino电路板。连接好整体的电路进行相关调试和改进。为了便于线路的连接，我们也同时添加了插拔式的外接接线板，将Arduino电路板中运用的的IO口和接线端集中集成在外接接线板上，以达到简化线路的目的。同时有利于结构的设计。
5、直流交流转换装置
对于直流交流转换装置，我们采用的是一种低压双极性PWM逆变电路实现。PWM调制技术是一种通过对脉冲宽度调制的技术。通过调制电路的载波信号与调制信号的比较，控制输出脉冲宽的和大小。双极性PWM就是PWM波形在半个周期中有正、有负。如此便能将直流电转换成交流。运用锂电池对太阳能电池板的能量进行收集，存储。再将锂电池接入低压双极性PWM逆变电路，实现直交转换并输出，实现对交流用电器的电能供应。
采用本方案设计方法，设计的智能太阳能发电装置，很好的改善了传统太阳能发电装置太阳能利用效率低，交流用电器的供电问题。同时实现了高度的智能化和自动化，降低了人力资源的成本。该太阳能发电装置结构简单，且具有高度的实用性。同时该装置在一定程度上提高了光能利用率和发电率。直流交流转换装置的添加大大扩大了太阳能发电的使用范围。使其更具市场价值，民用价值。
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图 1智能太阳能发电装置流程图
6、结语
该智能太阳能发电装置是基于Arduino 开发控制。适用于太阳能发电厂的一种智能化的发电装置。该装置结合运用了arduino开发控制板、可转向的双自由度云台，太阳能电池板，太阳光捕捉装置，直流交流转换装置。通过以上装置的结合调节与控制。该装置在启动时，会自我进行云台转动调整，通过对各个方向光强对比，确定光源的初始方向，并最终挺实在光强最大的一面。该过程的控制有写入arduino中的控制程序来实现。并实时检测对比光照强度，进行实时调整。实现了智能的追踪太阳的方向，实时的进行太阳光的捕捉，调整太阳能电池板的朝向，使太阳能电池板始终朝向太阳。时刻保持太阳能电池板最大的受光面积和最大光强，从而提高太阳能对光能的收集，提高光能利用率，同时在太阳能的输出端，直流交流转换装置的添加，在一定程度上提高了光能利用率和发电率。直流交流转换装置的添加大大扩大了太阳能发电的使用范围。大到太阳能发电站的使用，小到家用电器电能的供应。此外，智能太阳能发电装置还可以运用于城市路灯供电系统，等一些基础公共用电设施的供电系统中。这样将大大提高能量利用率，更好起到节约资源，保护环境的作用。使其更具市场价值，民用价值。
参考文献
[1]郑高峰,杨淑霞,杨伟.基于逆变电源中PWM控制技术的实现[J].移动电源与车辆,2017(04):35-38.
[2]范竣溢,王海洋.太阳能的开发与现状[J].电脑知识与技术,2019,15(10):228-229.
基金支持
该项目获得辽宁科技大学2021年期大学生创新创业训练计划资助