基于單片機(jī)的雙軸光伏尋日系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張暉

（南通航運(yùn)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 南通 226010）

能源是促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步的原動力，從工業(yè)革命以來，人類所使用的主要能源為石化能源，然而其蘊(yùn)藏量有限，大量的使用會造成全球環(huán)境生態(tài)和氣候產(chǎn)生很大的變化，而太陽能是一種取之不盡、用之不竭并且無污染的清潔能源，隨著人類對能源的使用從常規(guī)能源向可再生能源轉(zhuǎn)移，太陽能則成為人類理想的替代能源。而目前的太陽能發(fā)電效率普遍都不高，所以如何增加太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率是值得研究的。

使用太陽跟蹤技術(shù)，使光伏電池板始終面向光強(qiáng)最強(qiáng)的方向，可以很好的提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率，據(jù)研究表明，具有雙軸式光伏尋日跟蹤系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，其發(fā)電效率比固定無跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的效率提高40%左右，文中研究的是基于AT89S52單片機(jī)的光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

尋日系統(tǒng)光伏板跟蹤方式有光控和時控兩種，光控方式是使用光強(qiáng)傳感器，根據(jù)光線的強(qiáng)弱判斷太陽的位置，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動支架進(jìn)行跟蹤；時控方式是根據(jù)經(jīng)緯坐標(biāo)，利用計(jì)算公式計(jì)算太陽的位置并進(jìn)行跟蹤。本系統(tǒng)采用時控與光控互補(bǔ)結(jié)合控制的方式，光線較強(qiáng)時采用雙軸跟蹤傳感器進(jìn)行跟蹤控制，光線較弱時采用時控方式根據(jù)經(jīng)緯度與時間進(jìn)行跟蹤控制。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 System structure frame

本系統(tǒng)包括雙軸跟蹤傳感器、風(fēng)速傳感器、水平電機(jī)、俯仰電機(jī)、LCD顯示、按鍵手動輸入調(diào)節(jié)、時鐘芯片、AT89S52單片機(jī)以及相應(yīng)的外圍電路等。光伏裝置有兩個自由度?？刂茩C(jī)構(gòu)通過水平電機(jī)和俯仰電機(jī)對水平方向與垂直方向進(jìn)行調(diào)整，控制裝置的位置將由雙軸跟蹤傳感器對其位置進(jìn)行反饋，由控制系統(tǒng)對調(diào)整是否到位進(jìn)行判斷。時鐘芯片的初始時間由按鍵輸入，以便采用時控方式。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

從尋日系統(tǒng)的功能、成本、接口電路等方面綜合考慮，本系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)為控制核心，該單片機(jī)具有8 kB的Flash ROM和256 kB的RAM，支持ISP下載功能，支持空閑、掉電兩種可選節(jié)電模式。在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，由傳感器模塊、顯示模塊、輸出模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊4部分構(gòu)成。

2.1 傳感器模塊及接口設(shè)計(jì)

1）雙軸跟蹤傳感器

雙軸跟蹤傳感器是由上遮光板、側(cè)遮光板、光敏傳感器、底座組成，外觀與結(jié)構(gòu)圖見圖2所示。傳感器安裝在光伏板上，傳感器中4個光敏電阻用來檢測太陽相對光伏板的相對位置，若傳感器沒有正對著太陽，由于遮光板的遮光作用，會引起光敏電阻的阻值發(fā)生變化，電阻的偏差被送入驅(qū)動電路中，電路里產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號控制電機(jī)，從而導(dǎo)致光伏板發(fā)生旋轉(zhuǎn)，最終達(dá)到與太陽正對的方向。

圖2 雙軸跟蹤傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Diagram of the two-axe solar tracking sensor

雙軸跟蹤傳感器控制電路也包括兩個電壓比較器，光敏電阻RT1、RT2是一種電阻值隨著光照強(qiáng)度發(fā)生變化的的電阻，當(dāng)陽光直射時，兩個光敏電阻的阻值相同，運(yùn)算放大器LM358的同相輸入端和反相輸入端的電壓差為0，此時單片機(jī)上無輸入；若陽光不處于直射位置，則兩個光敏電阻RT1和RT2的阻值不相同，LM358的兩端會產(chǎn)生電壓差，由于運(yùn)算放大器處于開環(huán)狀態(tài)，因此會給單片機(jī)發(fā)出控制指令0或1，從而控制電機(jī)向某一方向旋轉(zhuǎn)。其基本原理如圖3所示。

圖3 雙軸跟蹤傳感器原理圖Fig.3 Schematic of the two-axe solar tracking sensor

2）風(fēng)速傳感器

風(fēng)速傳感器用于檢測當(dāng)前風(fēng)速，當(dāng)在臺風(fēng)天氣中，風(fēng)速超過預(yù)設(shè)值時，控制系統(tǒng)使太陽能電池板處于水平位置，從而減小受風(fēng)面積，避免太陽能裝置因風(fēng)力過大而受損。風(fēng)速傳感器的型號為FC-2A3，輸出為0～5 V的電壓，測量風(fēng)速范圍0～30 m/s。傳感器的信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換器選用TLC0831，是8位逐次逼近電壓型A/D轉(zhuǎn)換器，支持單信道輸入串口輸出，極性設(shè)置固定，不需尋址，其內(nèi)部有一采樣數(shù)據(jù)比較器將輸入的摸擬信號微分比較后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。模擬電壓采用差分輸入方式有利于抑制共摸信號，減少或消除轉(zhuǎn)換的偏移誤差。電壓基準(zhǔn)輸入可調(diào)，使小范圍摸擬電壓信號轉(zhuǎn)化時的分辨率更高。由標(biāo)準(zhǔn)移位寄存器或微處理器將時間變化的數(shù)字信號分配到串口輸出，當(dāng)IN-接地時為單端工作，此時IN+為輸入，也可將信號差分后輸入到N+與N-之間，此時器件處于雙端工作狀態(tài)。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 A/D轉(zhuǎn)換電路Fig.4 Circuit of A/D converter

2.2 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

在本尋日系統(tǒng)中，驅(qū)動俯仰機(jī)構(gòu)和水平機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動的電機(jī)為24 V直流永磁電動機(jī)，太陽能電池板水平方向和俯仰角的調(diào)整，需要驅(qū)動電機(jī)能夠具有2個相反的運(yùn)動方向，在本系統(tǒng)電路中，通過繼電器改變電流的方向，從而使電機(jī)能夠反向轉(zhuǎn)動，為了控制好電池板的調(diào)整速度，機(jī)構(gòu)中加上了減速裝置，其電氣圖如圖5和圖6所示。

圖5 直流驅(qū)動電動機(jī)主電路Fig.5 Main circuit of DC motor

圖6 單片機(jī)繼電器驅(qū)動電路圖Fig.6 Relay driver for MCU

3 控制策略及程序設(shè)計(jì)

3.1 太陽運(yùn)行軌跡的計(jì)算

要實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤，需要知道某一時刻某一位置，太陽的高度角αs和方位角γs。太陽運(yùn)行軌跡即太陽相對于地球的位置，可用兩種坐標(biāo)系來描述：赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系。

赤道坐標(biāo)系是指太陽相對地球的位置是相對赤道平面而言，用赤緯角δ和時角ω來表示，赤緯角可用Cooper方程近似計(jì)算，即：

式中，n為一年中的日期序號，如元旦為n=1，12月31日為n=365。時角ω的數(shù)值等于離正午的時間（小時）乘以15°，上午為負(fù)，下午為正。

太陽高度角 αs、天頂角 θz和緯度 φ、赤緯角 δ、時角 ω 的關(guān)系為：

方位角 γs與赤緯角 δ、高度角 αs、緯度 φ 及時角 ω 的關(guān)系為：

3.2 控制系統(tǒng)流程圖

控制系統(tǒng)的總體流程圖如圖7所示。系統(tǒng)啟動后，需要使用按鍵手動輸入?yún)?shù)，包括當(dāng)?shù)亟?jīng)度、緯度及時間（采用24小時制）。若室外風(fēng)力在5級以下，則將光伏板進(jìn)行尋日跟蹤，否則將驅(qū)動水平電機(jī)，將光伏板設(shè)置成水平方向，防止因風(fēng)力過大而損壞光伏板。在尋日過程中，若室外天氣晴朗，則采用光控方式，利用雙軸跟蹤傳感器對光照最強(qiáng)的位置進(jìn)行跟蹤，若室外為陰天，則通過經(jīng)緯度及時間計(jì)算太陽的高度角及方位角，通過時控方式對太陽進(jìn)行跟蹤，若光照強(qiáng)度過低，則將光伏板水平放置。

圖7 控制系統(tǒng)流程圖Fig.7 Flow char of system program

4 實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

本系統(tǒng)主要為提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量而設(shè)計(jì)，在測試時，選用了兩塊參數(shù)相同的光伏板，一塊光伏板采用最佳傾斜角度進(jìn)行固定安裝，另一塊光伏板安裝本雙軸光伏尋日系統(tǒng)，其對比數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 固定式與跟蹤式光伏組件某日發(fā)電功率跟蹤對比曲線Fig.8 Output power contrast by fixed and tracking PV module during one day

5 結(jié)束語

基于單片機(jī)的雙軸光伏尋日系統(tǒng)以AT89S52[8]單片機(jī)為核心，能夠根據(jù)天氣狀況自動選擇尋日跟蹤方式，性能穩(wěn)定，跟蹤經(jīng)度高，安裝方便，價(jià)格低廉，能夠有效的提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，可適用于光伏交通警示燈、小型光伏電站等光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

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