小型太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)研制

胡金艷，李 盛，張宇婷，謝欣欣

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

小型太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)研制

胡金艷，李 盛，張宇婷，謝欣欣

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

太陽(yáng)能資源豐富，為了能高效地收集太陽(yáng)能，文章設(shè)計(jì)了小型太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，可以從4個(gè)方位檢測(cè)陽(yáng)光，并對(duì)其光心進(jìn)行實(shí)時(shí)追蹤，大大提高了能源利用率。該系統(tǒng)采用自動(dòng)化控制，通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)調(diào)整電池板角度實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的全方位監(jiān)控，從而有效提高太陽(yáng)板的光電轉(zhuǎn)化效率，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能利用最大化，解決了太陽(yáng)能利用不充分的問(wèn)題。

太陽(yáng)能；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

太陽(yáng)能作為清潔能源，是目前開(kāi)發(fā)潛能最大的能源[1]；為了提高太陽(yáng)能的利用率，本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使用STC89C52單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，將視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤與光電跟蹤兩種方式相結(jié)合的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光心的實(shí)時(shí)追蹤和全方位監(jiān)控，從而提高設(shè)備的光電轉(zhuǎn)化效率。

1 太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)

現(xiàn)階段所設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能追蹤系統(tǒng)尚有缺陷，從而不能保證太陽(yáng)光的垂直照射，因此也不能收集到充分的太陽(yáng)光能，導(dǎo)致發(fā)電效率低下。目前，全球追蹤太陽(yáng)的方法大體分為兩類(lèi)，即開(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)“視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法”和閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)“光電追蹤法”。

太陽(yáng)光線(xiàn)跟蹤方式最常見(jiàn)的就是視日運(yùn)行軌跡跟蹤法。視日運(yùn)動(dòng)軌跡系統(tǒng)分為單軸和雙軸兩種方式。

（1）單軸跟蹤方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)，但系統(tǒng)不能始終保持主光軸與太陽(yáng)光線(xiàn)入射角度平行，因此單軸跟蹤系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的收集效率不高[2]。

（2）雙軸跟蹤有極軸式全跟蹤和高度角－方位角式全跟蹤兩種方式。極軸式全跟蹤方法簡(jiǎn)單，但其支承裝置不易設(shè)計(jì)、不易實(shí)現(xiàn)，因此此種追蹤方式并不理想。高度角－方位角式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，支承裝置容易實(shí)現(xiàn)且跟蹤精度高，圖1所示為其跟蹤原理。

圖1 高度角－方位角式太陽(yáng)跟蹤原理

圖2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

如圖1所示，θ為太陽(yáng)光入射角，ω為太陽(yáng)時(shí)角，δ為太陽(yáng)赤緯角，γ為集熱器方位角，β為集熱器傾角，φ為實(shí)驗(yàn)地區(qū)的緯度。太陽(yáng)光入射角θ可以通過(guò)公式（1）得到：

通過(guò)公式（2）可以計(jì)算出第天的太陽(yáng)赤緯角：

無(wú)論是哪種方式，在設(shè)計(jì)方面都需要在遮光板附近安裝光電管，追蹤太陽(yáng)光需要調(diào)整遮光板的位置。遮光板的陰影部分會(huì)隨著太陽(yáng)光線(xiàn)的逐漸減弱而發(fā)生移動(dòng)，光敏電阻受到光照時(shí)會(huì)輸出微電流，此電流信號(hào)需經(jīng)過(guò)放大電路放大，才能傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，從而調(diào)整角度使跟蹤設(shè)備對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)光心。

2 跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分

使用STC89C52單片機(jī)為控制核心，運(yùn)用光敏電阻采集光線(xiàn)，用運(yùn)放LM741對(duì)采集的光線(xiàn)做進(jìn)行處理并將最終數(shù)據(jù)傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)一步處理并將處理數(shù)據(jù)傳輸給電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，控制兩路電機(jī)進(jìn)行調(diào)節(jié)電池板的水平方位及垂直高度的調(diào)整。本設(shè)計(jì)尋光系統(tǒng)采用單片機(jī)作為主控芯片，光敏和運(yùn)放LM741組成光信號(hào)采集模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單片機(jī)控制系統(tǒng)通過(guò)光電檢測(cè)電路對(duì)具體天氣情況作出判斷。系統(tǒng)根據(jù)太陽(yáng)光照射強(qiáng)度判斷是否為晴天，晴天時(shí)進(jìn)行光電追蹤法，陰天時(shí)使用角度追蹤法。單片機(jī)根據(jù)這些信息的處理發(fā)出控制信號(hào)，傳送至驅(qū)動(dòng)電路，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)太陽(yáng)光接收裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的實(shí)時(shí)追蹤[3]。

步進(jìn)電機(jī)不能直接由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)，必須連接驅(qū)動(dòng)電路，其控制原理是電機(jī)驅(qū)動(dòng)器接收驅(qū)動(dòng)電路中的放大控制器發(fā)出的脈沖信號(hào)后，發(fā)出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)按著一定的角度和速度旋轉(zhuǎn)。電機(jī)的位移量取決于控制器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)，電機(jī)旋轉(zhuǎn)的速度和加速度取決于脈沖頻率，因此只要控制脈沖，便可控制步進(jìn)電機(jī)的相應(yīng)操作。

本系統(tǒng)采用串行控制方式對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。用一條發(fā)送時(shí)鐘脈沖串的控制線(xiàn)和一條發(fā)送方向電平信息的控制線(xiàn)將步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與控制器連接起來(lái)，便可實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。如圖4所示為步進(jìn)電機(jī)電路原理圖。

控制器發(fā)出脈沖和方向電平信息，驅(qū)動(dòng)部分的環(huán)形分配器接收來(lái)自控制器的信息并對(duì)步進(jìn)電機(jī)的1相勵(lì)磁、2相勵(lì)磁、1—2相勵(lì)磁進(jìn)行交替使用，功率放大器將環(huán)形分配器輸出的電流放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。時(shí)鐘脈沖控制線(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，方向電平控制線(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，方向電平為高電平1時(shí)，步進(jìn)電機(jī)按著環(huán)形分配器反向分配的脈沖信號(hào)反向轉(zhuǎn)動(dòng)；否則正向轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分有主程序模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。運(yùn)行程序，系統(tǒng)判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于起始位置（水平角的電機(jī)1旋轉(zhuǎn)到正東方，高度角電機(jī)2旋轉(zhuǎn)到太陽(yáng)能電池板水平方位），若不在起始位置，跟蹤機(jī)構(gòu)自動(dòng)返回起始位置；若在起始位置，系統(tǒng)判斷當(dāng)前天氣是否是晴天，如果是晴天，系統(tǒng)進(jìn)入視日運(yùn)行軌跡跟蹤法開(kāi)始追蹤陽(yáng)光；如果是陰天，系統(tǒng)進(jìn)入光電追蹤方式，并進(jìn)入延時(shí)階段，間隔30分鐘，系統(tǒng)再次對(duì)當(dāng)前天氣進(jìn)行判斷，若是晴天，則返回視日運(yùn)行軌跡跟蹤子程序，若是陰天，則返回光電檢測(cè)跟蹤子程序，如此，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)。系統(tǒng)完成一次跟蹤后進(jìn)入延時(shí)時(shí)間，30分鐘后，延時(shí)結(jié)束，系統(tǒng)對(duì)當(dāng)前天氣再進(jìn)行判斷，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體流程圖

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，采用STC89C52單片機(jī)為控制核心，通過(guò)5個(gè)環(huán)形分布的光敏電阻構(gòu)成的比較電路可以對(duì)具體天氣情況進(jìn)行判斷，根據(jù)具體天氣情況系統(tǒng)自動(dòng)選擇追蹤陽(yáng)光的方式，結(jié)合兩種追蹤方式，具有高效率、低誤差的優(yōu)點(diǎn)，加上軟件設(shè)計(jì)，使得整個(gè)系統(tǒng)緊密配合，完善系統(tǒng)的監(jiān)控程序，從而達(dá)到精確地對(duì)太陽(yáng)的方位角和高度角進(jìn)行實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確跟蹤的目的。

[1]郭洪雨.從低碳經(jīng)濟(jì)看太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用前景[J].城市開(kāi)發(fā)，2009（24）：48-49.

[2]鄭小年，黃巧燕.太陽(yáng)跟蹤方法及應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2003（4）：149-151.

[3]楊豐濤.基于單片機(jī)的太陽(yáng)光追蹤系統(tǒng)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報(bào)，2013（5）：12-14.

Development of small scale solar automatic tracking system

Hu Jinyan, Li Sheng, Zhang Yuting, Xie Xinxin
（Xijing University, Xi’an 710123, China）

For solar energy resources is abundant, in order to collect solar energy efficiently, the automatic tracking system of small solar is design to detect the sunlight and real-time track the core of sun from four directions, which greatly improves the utilization rate of energy.The system adopts automation control, through the use of micro controller to control the stepper motor rotation to adjust the angle of the battery board to achieve the full range of solar energy monitoring, which can effectively improve the photoelectric conversion efficiency of solar panels, implements the maximization utilization of solar energy and solves the problem of inadequate utilization of solar energy.

solar energy; single chip microcomputer; stepper motor

胡金艷（1992— ），女，陜西西安，碩士研究生；研究方向：信息控制與處理。