基于MCU的節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)

趙佐權(quán)，于松濤，齊世清，韓冰心

基于MCU的節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)

趙佐權(quán)，于松濤，齊世清，韓冰心

（東北大學(xué)秦皇島分校 控制工程學(xué)院，河北 秦皇島066004）

為進(jìn)一步提高太陽能光伏板轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)一種節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合太陽光強(qiáng)檢測和太陽軌跡計(jì)算追日的各自優(yōu)勢，采用太陽軌跡法對追日系統(tǒng)進(jìn)行粗調(diào)，采用太陽光強(qiáng)變化檢測法對系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)調(diào)。利用直流電機(jī)和減速器的配合，控制太陽能板在東西方位上實(shí)現(xiàn)追日；利用由直流電機(jī)做驅(qū)動(dòng)力的電動(dòng)推桿控制太陽板在南北高度上實(shí)現(xiàn)追日。測試數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)提高了太陽能光伏板的轉(zhuǎn)換效率，節(jié)能達(dá)30%以上。

追日系統(tǒng)；光強(qiáng)檢測；太陽能軌跡法；轉(zhuǎn)換效率

0　引言

太陽能作為一次清潔能源，應(yīng)用越來越廣泛，是未來主要能源之一。太陽能光伏電池轉(zhuǎn)換效率較低[1]，太陽能光伏板一般固定方位安裝，不能充分利用太陽能。設(shè)計(jì)一種雙軸跟蹤系統(tǒng)，可進(jìn)一步提高太陽能轉(zhuǎn)換效率。

在本裝置中，單片機(jī)通過對采集到的信號(hào)進(jìn)行分析，輸出控制信號(hào)分別作用在直流電機(jī)和電動(dòng)推桿上以此控制裝置的雙軸跟蹤追日。當(dāng)單片機(jī)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過減速器增大轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速器與軸承+齒輪相連，驅(qū)動(dòng)本裝置系統(tǒng)在東西方向上實(shí)現(xiàn)追日。當(dāng)單片機(jī)控制電動(dòng)推桿伸長或者縮短時(shí)，通過推桿長度的變化，改變太陽能板的傾斜角度來實(shí)現(xiàn)南北方向上追日。太陽能追日系統(tǒng)整機(jī)采用低功耗設(shè)計(jì)，傳動(dòng)裝置中加減速器，整機(jī)功耗很低。

1　機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

本裝置在機(jī)械結(jié)構(gòu)上主要由金屬支架、電動(dòng)推桿、齒輪+軸承、減速器、直流電機(jī)等組成，裝置結(jié)構(gòu)示意圖如

圖1　追日裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic diagram of tracking device structure

1.1傾斜角度驅(qū)動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

在傾斜角度的控制中，主要是通過一個(gè)電動(dòng)推桿來驅(qū)動(dòng)。

電動(dòng)推桿是一種將電動(dòng)機(jī)的正反旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橥茥U的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)的電力驅(qū)動(dòng)裝置，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速齒輪、滑座、安全開關(guān)、撥桿、螺桿、彈簧、導(dǎo)軌、外殼及推桿等組成。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過大小齒輪減速后帶動(dòng)安裝于內(nèi)管的小螺桿，帶動(dòng)與之連接一起的做軸向運(yùn)行螺母，螺母帶動(dòng)推桿運(yùn)動(dòng)，當(dāng)直線運(yùn)動(dòng)至所設(shè)定的行程時(shí)螺母觸角壓住限位開關(guān)斷開電源，電機(jī)停止運(yùn)動(dòng)。一般電動(dòng)推桿標(biāo)準(zhǔn)行程在，100，150，200，250，300，350，400mm，特殊行程也可根據(jù)不同應(yīng)用條件要求設(shè)計(jì)定做。電動(dòng)推桿可以根據(jù)不同的應(yīng)用負(fù)荷而設(shè)計(jì)不同推力的電動(dòng)推桿，一般其最大推力可達(dá)6000N，空載運(yùn)行速度為4mm～35mm/s，電動(dòng)推桿以24V/12V 直流永磁電機(jī)為動(dòng)力源，把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)。在本作品中，電動(dòng)推桿的行程為250mm，最大推力為900N，空載速度為4mm/s，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為12V。電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

在安裝時(shí)，將電動(dòng)推桿的軸頭連接到太陽能板的底部，底部連接到裝置的主軸上。通過電動(dòng)推桿長度的變化來改變太陽能板的傾斜角度。

圖2　電動(dòng)推桿結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2　Schematic diagram of electric pushrod structure

1.2轉(zhuǎn)動(dòng)角度驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)圖1所示。

在此部分功能設(shè)計(jì)上主要分為三部分：南北方向傾斜角度的控制裝置設(shè)計(jì)、東西方向上轉(zhuǎn)動(dòng)角度的控制裝置設(shè)計(jì)、上下連接傳動(dòng)的控制裝置設(shè)計(jì)。

本裝置上，東西方向上通過一個(gè)540直流電機(jī)和一個(gè)減速器來驅(qū)動(dòng)。

減速器[2]主要是由幾個(gè)大小不同的齒輪相互咬合而成。在兩個(gè)齒輪嚙合的部位，受大小相同，方向相反的切向力，并且滿足一下的關(guān)系：

（齒輪B的半徑x切向力）/（齒輪A的半徑x切向力）

= 齒輪B的半徑/齒輪A的半徑

= 齒輪B的齒數(shù)/齒輪A的齒數(shù)

= 齒輪A的轉(zhuǎn)速/齒輪B的轉(zhuǎn)速

= 齒輪B的扭矩/齒輪A的扭矩

由上面的關(guān)系得，小齒輪轉(zhuǎn)的快，大齒輪轉(zhuǎn)的慢；小齒輪的轉(zhuǎn)矩小，大齒輪的轉(zhuǎn)矩大。通過這樣的結(jié)構(gòu)可以增大直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)更大的負(fù)載；可以降低直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，以較慢的速度更好的追日。減速器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

本設(shè)計(jì)中，直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源，通過減速器將驅(qū)動(dòng)力的轉(zhuǎn)矩放大后，驅(qū)動(dòng)整個(gè)裝置在東西方向上轉(zhuǎn)動(dòng)。由于驅(qū)動(dòng)力僅由一個(gè)用電量極少的540直流電機(jī)提供，所以可以節(jié)約太陽能板產(chǎn)生的能量。

圖3　減速器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3　Schematic diagram of the struc ture of the reducer

1.3上下連接裝置的設(shè)計(jì)

本裝置中上下連接部分的設(shè)計(jì)，主要通過一個(gè)軸承+齒輪來實(shí)現(xiàn)。

軸承+齒輪是由一個(gè)內(nèi)嵌于齒輪的軸承組成，軸承的外沿與齒輪的內(nèi)沿固定。齒輪通過5個(gè)螺絲與上方的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置固定。軸承的內(nèi)沿與下方固定裝置的鐵柱固定。齒輪+軸承的作用主要是連接下方固定裝置和上方轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使減速器的轉(zhuǎn)動(dòng)不影響的固定裝置，并且由于軸承的使用使上方的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置受到的摩擦力更小，使裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)更靈活，使裝置更節(jié)約能量。齒輪+軸承結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4　軸承+齒輪結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4　Schematic diagram of the structure of bearing and gear

2　電控裝置設(shè)計(jì)

如圖5所示，該裝置電動(dòng)裝置部分主要由控制器模塊，光強(qiáng)檢測模塊，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)模塊，電源模塊，電子羅盤模塊等組成。

圖5　電控裝置組成Fig.5　Electric control device

圖6　BH1750FVI內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.6　BH1750FVI interna l structure diagram

2.1光強(qiáng)檢測

檢測光強(qiáng)時(shí)，采用BH 1750FV I[3-5]光強(qiáng)傳感器。BH 1750FV I光強(qiáng)傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

太陽光經(jīng)過光敏二極管PD將光照強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為PD電流，PD電流經(jīng)過集成運(yùn)算放大器AMP將PD電流轉(zhuǎn)化為PD電壓。ADC是16位的模數(shù)轉(zhuǎn)化器，將PD電壓轉(zhuǎn)化成為0-65535的數(shù)字量。Logic + IC Interface的作用是將ADC轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量放入寄存器中，方便控制器通過I2C協(xié)議讀取到光強(qiáng)信息。OSC為內(nèi)部振蕩器，為內(nèi)部電路的工作提供時(shí)鐘。

BH 1750FV I光強(qiáng)傳感器與單片機(jī)接口電路如圖7所示。

模塊的兩個(gè)引腳SCL、SDA與單片機(jī)的P1?0、P1?1相連，通過I2C協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信，讀取的16位的值即為光照強(qiáng)度。

圖7　光強(qiáng)模塊接口電路Fig.7　Intensity module interface circuit

2.2電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)

因?yàn)榭刂齐妱?dòng)推桿伸長或縮短時(shí)，只需要將電壓正反接，因此設(shè)計(jì)電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路如圖8所示。

電動(dòng)推桿通過單片機(jī)P0?2（DDTG1）、P0?3 （DDTG2）控制。當(dāng)DDTG1高電平時(shí)、DDTG2低電平時(shí)：三極管U 19導(dǎo)通，LED燈D 3、限流電阻R27、三極管U19所在的回路導(dǎo)通，R27電壓近似為5V即繼電器控制端電壓為5V，繼電器銜鐵吸合，常閉觸點(diǎn)斷開，常開觸點(diǎn)閉合，S-與OUT12V連接，電動(dòng)推桿的一端接入12V電源的正極。三極管U 20不導(dǎo)通，LED燈D 4、限流電阻R28、三極管U 19所在的回路短路，繼電器兩端電壓為0V，不工作。S+與DOGND相連，電動(dòng)推桿的另一端接入12電源的地，此時(shí)電動(dòng)推桿縮短。

圖8　電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路[5]Fig.8　Electric push rod drive circuit[5]

同理當(dāng)DDTG1為低電平時(shí)、DDTG2為高電平時(shí)，電動(dòng)推桿伸長；當(dāng)DDTG1為低電平時(shí)、DDTG2為低電平時(shí)，電動(dòng)推桿停止運(yùn)動(dòng)。

圖9　全橋電路示意圖Fig.9　Schematic diagram of the whole bridge circuit

2.3直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)[6-10]

直流電機(jī)采用540電機(jī)。為了更好地控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由兩個(gè)半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104和四個(gè)大功率場效應(yīng)管IRF3205做成的全橋驅(qū)動(dòng)電路。全橋電路示意圖如圖9所示。

橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)Q2管和Q 3管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q3從右至左穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q 2回到電源負(fù)極。該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖10所示。

圖10　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路Fig.10　DC motor drive circuit

場效應(yīng)管U 6，U 9，U 12，U 13，電機(jī)組成全橋電路，全橋電路的控制有兩個(gè)。

當(dāng)PWM 1輸入PWM波，PWM 2輸入低電平時(shí)，U 9、電機(jī)、U12通路工作，電機(jī)正轉(zhuǎn)。

當(dāng)PWM 2輸入PWM波，PWM 1輸入低電平時(shí)，U 6、電機(jī)、U 13通路工作，電機(jī)反轉(zhuǎn)。

2.4方位檢測

方位檢測主要通過霍尼韋爾HMC5883模塊來實(shí)現(xiàn)。

霍尼韋爾HMC5883L磁阻傳感器電路是三軸傳感器并應(yīng)用特殊輔助電路來測量磁場。通過施加供電電源，傳感器可以將量測軸方向上的任何入射磁場轉(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。磁阻傳感器是由一個(gè)鎳鐵（坡莫合金）薄膜放置在硅片上，并構(gòu)成一個(gè)帶式電阻元件。在磁場存在的情況下，橋式電阻元件的變化將引起跨電橋輸出電壓的相應(yīng)變動(dòng)。通過分析輸出電壓的變化即可得航向。

與單片機(jī)接口電路如圖11所示。

如圖所示：模塊的兩個(gè)引腳SCL、SDA與單片機(jī)的P0?4、P0?5相連，通過I2C協(xié)議與單片機(jī)進(jìn)行通信。

除以上三個(gè)模塊以外，電子時(shí)鐘模塊用DS1302模塊，風(fēng)力檢測用壓力傳感器模塊，顯示屏用OLED。

圖11　方向檢測接口電路Fig.11　Direction detection interface circuit

3　程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)通過BH1750FV I模塊獲取太陽能板四個(gè)角的太陽光強(qiáng)，分別記為I左上，I左下，I右上，I右下。

在控制東西方向上旋轉(zhuǎn)時(shí)：

當(dāng)I左-I右＞閾值1時(shí)，單片機(jī)控制直流電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)單位；

當(dāng)I右-I左＞閾值1時(shí)，單片機(jī)控制直流電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一個(gè)單位；

當(dāng)I左-I右＜閾值1時(shí)或I右-I左＜閾值1時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，靜止不動(dòng)。

在控制南北方向上傾斜時(shí)：

當(dāng)I上-I下＞閾值2時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)推桿收縮一個(gè)單位；

當(dāng)I下-I上＞閾值2時(shí)，單片機(jī)控制電動(dòng)推桿伸長一個(gè)單位；

當(dāng)I上-I下＜閾值2時(shí)或I下-I上＜閾值1時(shí)，電動(dòng)推桿停止，靜止不動(dòng)。

由現(xiàn)場試驗(yàn)得，該裝置按照5%的占空比輸出時(shí)，太陽能板每隔8分鐘左右東西方向上動(dòng)作一次，每隔12分鐘南北傾斜角度上改變一次。因此設(shè)計(jì)程序時(shí)將每次轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)限制再一次以內(nèi)，保證了由于陰天，有遮擋物時(shí)裝置可以正常的追日，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

程序流程簡圖如

圖12　程序流程簡圖Fig.12　Flow diagram

4　測試與結(jié)果

為了更好地體現(xiàn)本作品相對于固定式的優(yōu)勢，我們使用了同一廠家，同一批次的兩塊功率為50W的太陽能板。一塊太陽能板采用固定式按照最佳的傾斜角度進(jìn)行安裝，另一塊太陽能板安裝在追日裝置上。兩塊太陽能板分別通過兩個(gè)功率100W阻值10Ω的水泥電阻進(jìn)行放電，通過電流傳感器WCS2705模塊檢測太陽能板的放電電流。由于該電路為純電阻電路，太陽能板產(chǎn)生的能量約等于兩個(gè)水泥電阻產(chǎn)生的熱量，比較水泥電阻產(chǎn)生的熱量即可得結(jié)果。

在秦皇島市，從早上6：47到下午5：57進(jìn)行試驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，MCU每一分鐘檢測一次兩個(gè)太陽能板的放電電流，并通過串口發(fā)給電腦的上位機(jī)記錄下來。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，得到670組電流數(shù)據(jù)。表1為每十分鐘讀取的一次電流的簡表（單位：ma）。通過MATLAB對所的到670組數(shù)據(jù)以時(shí)間（單位：分鐘）為橫坐標(biāo)，以電流（單位：ma）為縱坐標(biāo)繪制曲線，如圖13所示。

由公式圖12所示。

當(dāng)單片機(jī)剛開始上電時(shí)，各個(gè)模塊初始化，光強(qiáng)檢測傳感器開始工作。系統(tǒng)首先根據(jù)光強(qiáng)追蹤太陽到太陽，之后進(jìn)入循環(huán)。對采集到的光照強(qiáng)度的分析控制直流電機(jī)和電動(dòng)推桿動(dòng)作，直流電機(jī)每動(dòng)作一次太陽能板轉(zhuǎn)動(dòng)2°左右，電動(dòng)推桿每動(dòng)作一次，太陽能板傾斜角度改變一度左右。延時(shí)5～7分鐘后從新檢測太陽光強(qiáng)，進(jìn)入循環(huán)。

得MATLAB中求取總功率的公式為：

通過計(jì)算得兩種模式下產(chǎn)生總的能量分別是：固定式W1=661023.0焦耳，追日式W2=915328.0焦耳。所以本作品比傳統(tǒng)固定式的效率提高了

表1　部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.　1 Experim ental data

圖13　固定式和追日式電流對比曲線Fig.13　Comparison　of　fixed　and　current　curve　tracking

通過合理真實(shí)的實(shí)驗(yàn)證明了本作品可以大大的提高太陽能板對太陽光的接受率。

由實(shí)際的測試數(shù)據(jù)知，

（1）從上午10點(diǎn)左右到下午2：30左右，固定式和追日式收集的光能的效率幾乎完全一樣。

（2）在早上6：47之前，追日式收集太陽光能的效率依舊遠(yuǎn)大于固定式收集的光能

針對以上兩種現(xiàn)象，在以后的系統(tǒng)改進(jìn)中可以將追日式系統(tǒng)在中午前后的四個(gè)小時(shí)進(jìn)行停機(jī)休息，以此來節(jié)省能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效的利用太陽能的目的。

4　分析與展望

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Solar Tracker Based on MCU Energy Efficient

ZHAO Zuo-quan, YU Song-tao, QI Shi-qing, HAN Bing-xin
(Northeastern University at Qinhuangdao, Qinhuangdao Hebei 066004)

In order to further improve the conversion efficiency of solar photovoltaic panels, design an energy-efficient solar tracker. System combined with sun light intensity detection and the sun trajectory calculation zhuiri respective advantage, the solar trajectory method of tracker for the coarse by sun light intensity change detection method to fine tune the system. Use DC motor and reducer w ith and control the solar panel in the east-west direction realize zhuiri; use by a DC motor driven electric putter control solar panels at the height of the north and south implementation of chasing the sun. Test data show that the system can improve the conversion efficiency of solar photovoltaic panels, energy saving is more than 30%.

Solar tracker; Light intensity detection; Trajectory; Conversion efficiency

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.09.008

ZHAO Zuo-quan, YU Song-tao, QI Shi-qing, et al. Solar Tracker Based on MCU Energy Efficient[J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(9): 44-51.

趙佐權(quán)（1992-），男，本科生，從事自動(dòng)控制；齊世清（1963-），男，副教授，從事智能檢測技術(shù)與自動(dòng)控制，過程控制系統(tǒng)；

于松濤（1994-），男，本科生，從事自動(dòng)控制；韓冰心（1995-），女，本科生，從事自動(dòng)控制。

本文引用格式：趙佐權(quán)，于松濤，齊世清，等.基于MCU的節(jié)能高效的太陽能追日系統(tǒng)[J]. 新型工業(yè)化，2015，5（9）：44-51