基于一維機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)的太陽自動跟蹤器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

常州劉國鈞高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 劉冉冉 鄭恩興

1.前言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。然而它也存在著間歇性、光照時間和強(qiáng)度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提高了更高的要求[2]。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電率低下。據(jù)試驗(yàn)，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽能利用中，進(jìn)行跟蹤是十分必要的[3-4]。

按照不同的分類方法，太陽跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤（程序控制），還有單軸跟蹤和雙軸跟蹤。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測太陽光是否偏離，當(dāng)太陽光偏離時，傳感器發(fā)出偏差信號，經(jīng)放大運(yùn)算后，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)重新對準(zhǔn)太陽光。這種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，缺點(diǎn)是受天氣影響大，陰雨天無法對準(zhǔn)太陽，甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤動作。視日運(yùn)動軌跡的跟蹤（程序控制），是根據(jù)太陽的實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤太陽，這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r跟蹤，但其精度比較低。單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角做季節(jié)性調(diào)整，雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個方向跟蹤太陽。

本文提出一種新型的基于單片機(jī)的太陽光自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)采用傳感器跟蹤方式，實(shí)現(xiàn)方位角單軸一維機(jī)械跟蹤。不僅能自動跟蹤太陽光方向來調(diào)整太陽能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標(biāo)位置，不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價值。

圖1 太陽自動跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文是基于單片機(jī)的太陽跟蹤裝置設(shè)計(jì)，將控制器分為軟硬件兩部分來設(shè)計(jì)與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了太陽跟蹤的基本功能。

太陽自動跟蹤裝置主要是由光電檢測電路[5]、機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)等幾部份組成。電源電路采用5V/500mA的集成穩(wěn)壓電源，輸出高電平和低電位；機(jī)械跟蹤系統(tǒng)主要由支架、兩個轉(zhuǎn)動軸、直流電機(jī)；單片機(jī)選用低損耗、高性能、COMS八位微處理器AT89C52，片內(nèi)有8K字節(jié)的可擦寫存儲器，4組I/O口。

主控制單元主要完成：過濾干擾，定時器每隔一段時間采樣一次用數(shù)組進(jìn)行緩沖過濾掉干擾；計(jì)算功能，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度；控制功能，編程控制手動、自動調(diào)整，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

主要通過微機(jī)處理器對光敏二極管采集的信號來驅(qū)動直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、速度等進(jìn)行控制，從而對跟蹤太陽的控制，本設(shè)計(jì)采用的是被動式太陽跟蹤。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 硬件總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過單片機(jī)、光傳感器、電機(jī)以及硬件電路板等板塊的組合運(yùn)用來控制太陽能的跟蹤，達(dá)到和太陽形成同步運(yùn)動的目的，從而提高太陽能的利用率。該系統(tǒng)主要包含的模塊有：單片機(jī)控制模塊、光敏傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、按鍵調(diào)整模塊等模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.3 軟件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)一維坐標(biāo)系，自動跟蹤裝置具有一個垂直的轉(zhuǎn)軸，即垂直軸，垂直于水平面，傳感板圍繞垂直軸轉(zhuǎn)動實(shí)現(xiàn)方位角的變化[6-9]。本系統(tǒng)為軟硬件相結(jié)合的設(shè)計(jì)，在硬件的基礎(chǔ)上用軟件實(shí)現(xiàn)一些功能。軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能：過濾干擾，定時器每隔一段時間采樣一次用數(shù)組進(jìn)行緩沖過濾掉干擾；計(jì)算功能，計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動的角度。系統(tǒng)的狀態(tài)調(diào)整需要三個調(diào)整鍵，分別為手動/自動切換、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖3 主程序流程

圖4 光敏二極管的排列

本系統(tǒng)的軟件由以下幾個部分組成：系統(tǒng)初始化模塊、掃描按鍵、自動跟蹤模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊。系統(tǒng)初始化模塊主要由軟件實(shí)現(xiàn)，如圖3所示：

2.3.1 系統(tǒng)初始化模塊

系統(tǒng)初始化模塊主要確定跟蹤裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)位置。機(jī)械運(yùn)動部件運(yùn)動到基準(zhǔn)位置后，觸發(fā)開關(guān)向控制端口發(fā)送電平信號，單片機(jī)收到消息后立即終止驅(qū)動脈沖的發(fā)送。這種模式主要是針對系統(tǒng)工作異常和日落后系統(tǒng)自動返回基準(zhǔn)位置設(shè)置的，也可以減小因機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工和直流電機(jī)的傳動而產(chǎn)生的誤差積累。

2.3.2 自動跟蹤模塊

自動跟蹤模塊是由8個光敏二極管組成的一個傳感器[10]。如圖4所示，將傳感器分成兩個區(qū)域，具體是光敏二極管D2、D3、D4為一組，D5、D6、D7為一組，形成左右各一區(qū)域的狀態(tài)，將此檢測板用兩個不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑要正好圈住三個光敏二極管。圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以讓光線通過。傳感器檢測部分實(shí)現(xiàn)的功能是能準(zhǔn)確判斷是左偏還是右偏，當(dāng)兩個區(qū)域都有信號時為正對，電機(jī)不轉(zhuǎn)。如果有一個區(qū)域的傳感器信號被遮擋則產(chǎn)生相對應(yīng)的動作，即采集的信號利用運(yùn)放放大信號傳送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)采集的信號分析電機(jī)是否轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)的話，是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)。

2.3.3 按鍵電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊是由按鍵掃描完成和單片機(jī)控制同時完成的。主要由單片機(jī)控制單元以軟件形式完成，再由按鍵輔助完美化。在本系統(tǒng)中，選擇的電機(jī)是5V的直流電機(jī)，其本身有很大的磁場，對繼電器有很大的工作干擾，所以使用的是橋式驅(qū)動。本系統(tǒng)中共有三個功能鍵：分別為手動/自動切換、電機(jī)正轉(zhuǎn)、電機(jī)反轉(zhuǎn)。

3.結(jié)束語

本文以單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了基于方位角單軸一維機(jī)械跟蹤定位的太陽跟蹤定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用了太陽輻射與環(huán)境亮度的比較，使得該自動跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、可靠性強(qiáng)，在晴天檢測過程中能實(shí)時回存正確的時間和角度數(shù)據(jù)，消除因季節(jié)變化而產(chǎn)生的積累誤差。在陰天時能自動轉(zhuǎn)動到以前晴天時的位置。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高了太陽能的利用效率。

[1]張正偉.傳感器原理與應(yīng)用[M].北京:中央廣播電視大學(xué)出版社,1991,4.

[2]梅開鄉(xiāng).太陽強(qiáng)光自動跟蹤裝置的設(shè)計(jì)[J].太陽能,2006,(03):26-29.

[3]候長來.一種太陽自動跟蹤裝置的設(shè)計(jì)[J].儀器儀表用戶,2005,(02):141-143.

[4]孫茵茵,鮑劍斌,王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005,(07):11-13.

[5]呂海寶.激光光電檢測[M].國防科技大學(xué)出版社,2004,1.

[6]鄭小年,黃巧燕.太陽跟蹤方法及應(yīng)用[J].能用技術(shù),2003,24(4):8-10.

[7]M.J.O'Neill,A.J.McDanal.The 25 kilo watt solar row:a building block for utility-scale concentrator systems[J].25th IEEE PVSC,May 1996,Washington D.C.,pp.1529-1532.

[8]呂愛民.光斑模式對PSD定位的研究[J].激光技術(shù),1998,22(5):29-30.

[9]劉振起.太陽能集能器自動跟蹤裝置[J].節(jié)能,2003,9:22-24.

[10]王雪文,王洋,閻軍鋒,趙武,張志勇.太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2004,34(2):157-158.