基于單片機(jī)的雙軸太陽光追蹤器設(shè)計(jì)

摘 要：太陽能作為一種潔凈的能源，是一種可再生能源，有著化石能源無法比擬的優(yōu)越性，但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙人們對(duì)太陽能的利用，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了人們對(duì)太陽能的利用率。本設(shè)計(jì)采用光電跟蹤的方法，利用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)了雙軸獨(dú)立自動(dòng)太陽跟蹤控制系統(tǒng)。通過對(duì)跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平、垂直兩個(gè)自由度的控制，調(diào)整太陽能電池板的角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的跟蹤。采用單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)的太陽能追蹤系統(tǒng)能有效提高太陽板的光電轉(zhuǎn)化效率，并具有較廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：太陽能；跟蹤；光敏二極管；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

太陽能作為一種清潔的可再生的新型能源，受到了人們的廣泛重視，目前利用太陽發(fā)電的方式主要有光伏發(fā)電、光熱發(fā)電等，它們均為固定安裝，無法根據(jù)太陽光的不斷變化，來調(diào)整迎光面，做不到太陽光的實(shí)時(shí)垂直照射，這樣就會(huì)使太陽能資源得不到充分利用，所以有必要研究如何最大程度地提高太陽能的利用率。

要提高太陽能的利用率，應(yīng)從兩個(gè)方面入手，一是提高太陽能的接收效率，二是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率。其中，太陽能的接收效率與太陽光的照射角度有關(guān)，已經(jīng)有人研究了太陽光角度與太陽能的接收效率的關(guān)系，理論分析表明：太陽的非跟蹤與跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使太陽能接收裝置的熱效率大為提高，進(jìn)而可以提高太陽能的利用率。

現(xiàn)階段市場(chǎng)上使用的跟蹤系統(tǒng)有單軸太陽能自動(dòng)跟蹤器、步進(jìn)式太陽能自動(dòng)跟蹤、可自動(dòng)跟蹤的太陽灶、五像限法太陽自動(dòng)跟蹤儀、單軸液壓式自動(dòng)跟蹤、極軸式跟蹤。它們存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、跟蹤精度不高、不能全自動(dòng)跟蹤等不足。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)可使太陽光永遠(yuǎn)垂直照射在接收面上，提高了太陽能的吸收率和轉(zhuǎn)化率，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，單片機(jī)控制穩(wěn)定，能自動(dòng)跟蹤陽光，最大面積地吸收太陽光能，合理利用了資源。追日性能良好的太陽能電池板雙軸自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板在南北、東西兩個(gè)方向追蹤太陽，提高太陽能利用率。

本設(shè)計(jì)主要包過光電轉(zhuǎn)換電路、AD轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)，首先主要介紹各個(gè)模塊的硬件電路，以及機(jī)械設(shè)計(jì)部分原理簡(jiǎn)介。

硬件設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

（1）光伏傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度以及太陽光入射角度；

（2）A/D轉(zhuǎn)換器完成太陽光檢測(cè)信號(hào)的采集，并輸出及放大信號(hào)的模擬輸入量；

（3）單片機(jī)STC89C51接收到信號(hào)后，做出指令；

（4）步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)接方位至最佳狀態(tài)；

（5）步進(jìn)電機(jī)在水平和垂直方向運(yùn)行調(diào)節(jié)，太陽能電池板主要將太陽能轉(zhuǎn)換為電能并輸送給用電器或電池。

1.1 基本系統(tǒng)

單片機(jī)的基本系統(tǒng)包括電源、晶振電路和復(fù)位電路。

電源是給單片機(jī)提供電源5V。

晶振電路由晶振和2個(gè)電容所組成，晶振的振蕩頻率直接影響單片機(jī)的處理速度，所以采用11.0592M晶振。

1.2 光敏二極管比較電路

本設(shè)計(jì)對(duì)于當(dāng)前太陽能電池板監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，研究其優(yōu)劣點(diǎn)并且加以進(jìn)行分析。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)能自動(dòng)旋轉(zhuǎn)追蹤的太陽能電池板。結(jié)合三種太陽能采集方法，實(shí)現(xiàn)手自一體化的多模式太陽能采集。在自動(dòng)運(yùn)行中該系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性，運(yùn)用四象限光敏二極管對(duì)太陽能強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，使用比較電路（見圖2）進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)性的太陽能強(qiáng)度分析。

經(jīng)過四象限光敏二極管的采集分析后，在單片機(jī)中進(jìn)行比較，根據(jù)得出的結(jié)果對(duì)太陽能電池板的伺服電機(jī)進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)太陽能電池板X、Y軸方向上的調(diào)整。

1.3 按鍵電路

按鍵電路主要功能：1起停按鍵，2、3 X軸控制，4、5 Y軸控制。按鍵電路因按鍵數(shù)量不多，所以采用獨(dú)立式按鍵。

1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本課題用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)來分別控制太陽能電池板的X、Y軸運(yùn)動(dòng)，用ULN2803驅(qū)動(dòng)芯片來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

1.5 光電檢測(cè)原理

硬件設(shè)計(jì)中光電檢測(cè)是本裝置的主要部分，也是太陽能電池板尋光的主要控制元件，設(shè)計(jì)中為了使太陽能電池板始終對(duì)著太陽則需要四個(gè)光敏對(duì)陽光強(qiáng)弱進(jìn)行檢測(cè)，如圖3所示，光敏均采用垂直于太陽能電池板板面安裝。

其中光電檢測(cè)A對(duì)左遠(yuǎn)離光線進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)光線遠(yuǎn)離電池板時(shí)A檢測(cè)會(huì)給單片機(jī)信號(hào)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器控制電機(jī)M1正轉(zhuǎn)使電池板跟隨光線左轉(zhuǎn)。光電檢測(cè)B對(duì)右遠(yuǎn)離光線進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)光線遠(yuǎn)離電池板時(shí)B檢測(cè)到并實(shí)時(shí)傳輸給單片機(jī)信號(hào)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)繼電器控制電機(jī)M1反轉(zhuǎn)使電池板跟隨光線右轉(zhuǎn)。光電檢測(cè)C與D對(duì)太陽垂直角度的變化進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)到的光線變化信號(hào)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理后控制繼電器驅(qū)動(dòng)電機(jī)M2的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)電池板垂直角度的調(diào)整。

考慮到太陽四季垂直角度變化的速率很小，可以在電池板垂直角度的調(diào)整電機(jī)M2加個(gè)減速箱，使其變化速率也非常小，不至于因變化太快使得光電檢測(cè)誤檢，否則會(huì)導(dǎo)致電池板在垂直方向不停的擺動(dòng)。

2 節(jié)能效果分析

在現(xiàn)代社會(huì)，人們利用太陽能很多時(shí)候都要考慮它的節(jié)能性、經(jīng)濟(jì)性，具有良好節(jié)能效果、價(jià)格低廉的產(chǎn)品才能更好地推廣與應(yīng)用。本項(xiàng)裝置結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、成本低廉，具有很好的經(jīng)濟(jì)性，以下主要評(píng)估系統(tǒng)的節(jié)能效果。中小規(guī)模使用的太陽能追蹤器器，規(guī)格大于實(shí)驗(yàn)室所用的裝置，以太陽能板長(zhǎng)L=5.9m，寬d=1.2m為例，評(píng)估這樣實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)一年可以節(jié)約的標(biāo)準(zhǔn)煤耗。

跟蹤裝置應(yīng)用于新疆地區(qū)，日工作時(shí)間為8h，發(fā)電效率受外界條件干擾較大，年平均追蹤效率取35%，利用跟蹤裝置一年利用的太陽能熱量為：201367/IWm

本項(xiàng)裝置可在較好的精度下工作，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集與分析，驗(yàn)證該系統(tǒng)具有較好的集熱效率。通過節(jié)能性分析說明，實(shí)際應(yīng)用中的本套裝置節(jié)能效果明顯，每年可節(jié)約相當(dāng)可觀的標(biāo)準(zhǔn)煤，對(duì)于構(gòu)建節(jié)能低碳型社會(huì)具有重大意義。

在當(dāng)前的條件下發(fā)電效率高的太陽能電池必將在市面上有很大影響。太陽能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，能及時(shí)地跟蹤太陽，盡可能地提高太陽能的利用率，在實(shí)時(shí)性、低功耗方面亦均有所提高，所以我們所設(shè)計(jì)的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)有較好的市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]王國龍.基于單片機(jī)的雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[M].電子設(shè)計(jì)工程，2013，15.

[2]蘇平，李曉荃.單片機(jī)原理與接口技術(shù)[M].北京：北京電子工業(yè)出版社，2003.

[3]馬長(zhǎng)芳.新型集成電路及其應(yīng)用實(shí)例[M].科學(xué)出版社，2002.

[4]吳金戌.8051單片機(jī)實(shí)踐與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[5]李光才，樓然笛.單片機(jī)課程設(shè)計(jì)實(shí)例指導(dǎo)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

作者簡(jiǎn)介：陸建章（1991-），男，新疆喀什人，本科，塔里木大學(xué)機(jī)械電氣化工程學(xué)院，農(nóng)業(yè)電氣化與自動(dòng)化專業(yè)，電氣化16-2班學(xué)生。