基于51單片機(jī)的節(jié)能型光伏追日系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李勉

摘要：目前存在的光伏追日系統(tǒng)在控制方式上都存在同樣的問題：追日步進(jìn)電機(jī)時(shí)刻運(yùn)行，從未停歇，存在浪費(fèi)用電和機(jī)械疲勞運(yùn)行等問題。文章主要介紹以51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合光控與時(shí)控的優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出適時(shí)進(jìn)入節(jié)能的睡眠模式，最大程度地減少追日系統(tǒng)能耗的控制方法。實(shí)測結(jié)果表明，該算法具有減少系統(tǒng)耗電、減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)損傷等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：光伏追日系統(tǒng)；51單片機(jī)；節(jié)能

隨著人口的持續(xù)增長和工業(yè)的不斷發(fā)展，全球能源危機(jī)和大氣污染問題日益突出，減少排放，開發(fā)利用可再生能源和各種綠色能源成為人類的主要任務(wù)。因此，深入研究利用太陽能，對我國乃至全世界的可持續(xù)發(fā)展都有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義及戰(zhàn)略意義。傳統(tǒng)的太陽能電池板大都采用固定式安裝，即電池板固定在某個(gè)角度，不隨太陽位置的變化而變化，嚴(yán)重影響光電轉(zhuǎn)化效率。據(jù)推算：如果光電系統(tǒng)與太陽光線角度存在25度偏差，就會(huì)因垂直入射的輻射能減少而使光伏陣列輸出功率下降10%左右。一年四季春夏秋冬，白天到晚上太陽的起落，太陽光線角度時(shí)刻都在變化。為了提高光電轉(zhuǎn)化效率，人類設(shè)計(jì)了追日系統(tǒng)，通過單片機(jī)或PLC等自動(dòng)化控制元器件結(jié)合伺服電機(jī)構(gòu)建了單軸追日系統(tǒng)和雙軸追日系統(tǒng)。單軸追日系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，投入少，但效率低，雙軸追日系統(tǒng)投入大，效率最高，基本可以實(shí)現(xiàn)光伏電池板時(shí)刻正對太陽。

1 問題的提出

雙軸追日系統(tǒng)分為2種跟蹤控制方式：第1種為光控，即使用光傳感器，根據(jù)天空不同區(qū)域光線強(qiáng)弱區(qū)別，判斷太陽位置，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)支架進(jìn)行追蹤。第2種為時(shí)控，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯坐標(biāo)和時(shí)間，利用天文學(xué)計(jì)算公式，計(jì)算太陽所處天空的坐標(biāo)，然后驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)支架進(jìn)行追蹤。上述2種控制方式都存在同樣的問題：追蹤步進(jìn)電機(jī)時(shí)刻運(yùn)行，從未停歇，存在浪費(fèi)用電和機(jī)械疲勞運(yùn)行等問題。本文主要介紹以51單片機(jī)為控制核心，結(jié)合光控與時(shí)控的優(yōu)點(diǎn)，并在此基礎(chǔ)上提出適時(shí)進(jìn)入節(jié)能的睡眠模式，最大程度地減少追日系統(tǒng)能耗的控制方法。實(shí)測結(jié)果表明，該算法具有減少系統(tǒng)耗電、減少機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)損傷等優(yōu)點(diǎn)。

2 硬件結(jié)構(gòu)

本文介紹的節(jié)能型光伏追日系統(tǒng)以51單片機(jī)為控制核心，包含光信號采集輸入部分、風(fēng)力采集輸入部分、方位采集輸入部分、實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷部分、步進(jìn)電機(jī)控制部分、繼電器控制部分。功能如圖1所示。

2.1 實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷部分

時(shí)鐘模塊對于雙軸追日系統(tǒng)十分重要，51單片機(jī)通過12C雙向總線進(jìn)行串行通信，實(shí)時(shí)與AT8340讀取操作。通過AT8340提供的信息結(jié)合當(dāng)?shù)氐淖鴺?biāo)信息，計(jì)算出一年春夏秋冬四季、每天日升日落的太陽的光照角度，用于追日系統(tǒng)精細(xì)計(jì)算程序，有效地保證太陽能電池板能夠時(shí)刻正對太陽，發(fā)電效率才會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。AT8340是一款實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷（RTC）芯片，引腳和功能兼容于Maxim公司的DS1340和ST公司的M4ITOO。該芯片可對VBACKUP引腳進(jìn)行涓流充電，計(jì)時(shí)電壓較低，且有振蕩器停止標(biāo)志；提供秒、分、小時(shí)、星期、日期、月、年的信息；提供電源監(jiān)測功能，一旦效監(jiān)測到電源失效，就可自動(dòng)切換到備用電源。

2.2 步進(jìn)電機(jī)控制部分

L298芯片是一種H橋式驅(qū)動(dòng)器，它設(shè)計(jì)成接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可用來驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。H橋可承受46V電壓，相電流高達(dá)2.5A。L298（或x0298，SGS298）的邏輯電路使用5v電源，功放級使用5-46V電壓，下橋發(fā)射極均單獨(dú)引出，以便接入電流取樣電阻。L298（等）采用15腳雙列直插小瓦數(shù)式封裝，工業(yè)品等級。H橋驅(qū)動(dòng)的主要特點(diǎn)是能夠?qū)﹄姍C(jī)繞組進(jìn)行正、反2個(gè)方向通電。L298特別適用于對二相或四相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、專用芯片構(gòu)成的步進(jìn)電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

2.3 繼電器控制部分

ULN2003是七重達(dá)林頓陣列，輸出端口有一個(gè)二極管連到COM。驅(qū)動(dòng)繼電器、繼電器線圈是感性負(fù)載，此時(shí)將COM端連到電源正極，二極管為續(xù)流二極管。當(dāng)繼電器動(dòng)作時(shí)，會(huì)感應(yīng)出高壓，續(xù)流二極管會(huì)將感應(yīng)出的高壓向電源放掉，防止過壓擊壞芯片，也會(huì)減小高壓對電路產(chǎn)生干擾。

3 軟件執(zhí)行

單片機(jī)開機(jī)后首先進(jìn)入光照度采集程序，如果照度很低，如晚上或陰天，單片機(jī)程序就停留在光照度采集狀態(tài)，其他程序及外設(shè)還在“睡眠”狀態(tài)。當(dāng)光照度提高到某個(gè)設(shè)定值，單片機(jī)開始喚醒睡眠中的設(shè)備，讀取來自AT8340芯片的時(shí)間及日期信息，通過計(jì)算確定太陽方位，比較光伏電池板目前方位與計(jì)算方位的差異，通過繼電器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的輸出調(diào)整光伏電池板的位置，使光伏電池板處于發(fā)電效率最高的角度。當(dāng)光照度低于到某個(gè)設(shè)定值，單片機(jī)通過輸出繼電器切斷追日電機(jī)等設(shè)備電源，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。當(dāng)太陽落山后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將光伏電池板調(diào)回東面，太陽升起的方位為第二天再自動(dòng)進(jìn)入新一輪的運(yùn)轉(zhuǎn)作好準(zhǔn)備，同時(shí)會(huì)自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)。當(dāng)風(fēng)力采集輸入部分獲得超過12米每秒的風(fēng)速時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入惡劣天氣保護(hù)狀態(tài)，追日程序會(huì)自動(dòng)停止工作，并且立刻調(diào)整光伏電池的受光面與地平面成平行狀態(tài)或垂直狀態(tài)，以避免系統(tǒng)遭到破壞。

4 結(jié)語

國務(wù)院總理李克強(qiáng)2015年12月2日主持召開國務(wù)院常務(wù)會(huì)議，會(huì)議指出，對超低排放和節(jié)能改造要加大政策激勵(lì)。太陽能是潔凈能源發(fā)電的一支獨(dú)秀，在政策的支持下，節(jié)能型光伏追日系統(tǒng)將會(huì)得到更好的發(fā)展，雙軸追日系統(tǒng)將來會(huì)得到進(jìn)一步的改善。