基于STC-89C52單片機(jī)的光伏組件雙軸自動(dòng)跟蹤裝置

西南交通大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院■張知原 張輝波 趙橋 李志強(qiáng) 任奕霖

0 引言

在能源問(wèn)題日益嚴(yán)峻的今天，太陽(yáng)能因其清潔、可再生的優(yōu)點(diǎn)，得到了世界各國(guó)的普遍重視[1]。利用光伏組件進(jìn)行發(fā)電在某些區(qū)域已成為電力供應(yīng)的主要來(lái)源之一[2]。目前，大部分光伏發(fā)電系統(tǒng)都是采用光伏組件固定不動(dòng)的安裝方式，導(dǎo)致其光電轉(zhuǎn)換效率不高，對(duì)太陽(yáng)能的利用不夠充分。基于此，本文設(shè)計(jì)了一款加載有50 W光伏組件的雙軸自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置的機(jī)械部分采用齒輪傳動(dòng)及蝸輪蝸桿傳動(dòng)，控制部分則是采用STC-89C52單片機(jī)實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能；通過(guò)安裝12V/8A蓄電池，可實(shí)現(xiàn)在晴朗天氣下對(duì)蓄電池充電的功能；并將具有自動(dòng)跟蹤功能的光伏組件與傳統(tǒng)的固定式光伏組件的電性能進(jìn)行了對(duì)比。

1 雙軸自動(dòng)跟蹤裝置的硬件設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的方式主要有2種：1)根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)行規(guī)律，通過(guò)所在地的位置和時(shí)間計(jì)算太陽(yáng)的高度角和方位角，進(jìn)而調(diào)整角度；2)根據(jù)光電傳感器采集到的信號(hào)完成角度的調(diào)整[3]。這兩種方式的結(jié)合可更加可靠地實(shí)現(xiàn)各種天氣下的太陽(yáng)的跟蹤?；趯?shí)際情況，本文采用第2種方式。

1.1 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)方案

本文采用的雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該裝置的構(gòu)造為：步進(jìn)電機(jī)1固定在底座上，其輸出軸連接小齒輪，小齒輪與大齒輪嚙合；大齒輪連接著主軸，主軸安裝在底座上(主軸相對(duì)于底座可以轉(zhuǎn)動(dòng))，主軸前端與支撐裝置相固定；步進(jìn)電機(jī)2安裝在支撐裝置上，其輸出軸連接蝸桿，與蝸輪嚙合；蝸輪與傳動(dòng)軸固定并連接著光伏支架。

圖1 雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)圖

本雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)裝置采用2種傳動(dòng)方式：齒輪傳動(dòng)和蝸輪蝸桿傳動(dòng)[4]。水平方向的追蹤所需的動(dòng)力較小，采用成本與傳動(dòng)比相對(duì)較低的齒輪傳動(dòng)即可完成太陽(yáng)方位角的追蹤。但是，由于豎直方向上所需的動(dòng)力相對(duì)較大，并且考慮到需要托載光伏組件，為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高精度，因此，豎直方向采用了蝸輪蝸桿傳動(dòng)，其自鎖的功能也提高了裝置的可靠性。

所有齒輪均選用POM材料。齒輪的具體參數(shù)為：模數(shù)m=1 mm，中心距a=60 mm，轉(zhuǎn)動(dòng)比i=5；初選小齒輪齒數(shù)Z1=20，則大齒輪齒數(shù)Z2=100；小齒輪分度圓直徑d1=mZ1=20 mm；大齒輪分度圓直徑d2=mZ2=100 mm。

主軸作為整個(gè)機(jī)械裝置的傳動(dòng)與支撐結(jié)構(gòu)，選用LY12鋁棒作為主軸材料，主軸的直徑為300 mm，長(zhǎng)度為110 mm；轉(zhuǎn)動(dòng)軸的直徑為100 mm，長(zhǎng)度為250 mm。

1.2 自動(dòng)跟蹤裝置的硬件電路設(shè)計(jì)

自動(dòng)跟蹤裝置是根據(jù)光敏電阻傳感器模塊的輸出電壓來(lái)判斷其所在角度上的光源是否與光伏組件垂直。因此，在光伏組件的4個(gè)頂點(diǎn)處安置光敏電阻傳感器模塊。

在實(shí)行此方案前，必須對(duì)光敏電阻在同一光強(qiáng)下的電阻值進(jìn)行預(yù)判，消除不同光敏電阻之間的電阻值差異；差異消除后，再根據(jù)電壓比較器返回的電平信號(hào)來(lái)判斷光伏組件是否與太陽(yáng)光線垂直，若光伏組件未與光線垂直，則采用雙軸系統(tǒng)對(duì)光伏組件的位置進(jìn)行調(diào)整，從垂直和水平兩個(gè)方向的電壓比較器返回的電平信號(hào)來(lái)確定光伏組件的方向是否是光電轉(zhuǎn)換效率最高時(shí)的角度。

本裝置使用的電路元器件包括主控制器(單片機(jī)STC-89C52)、電壓比較器(LM339)、4個(gè)光敏電阻傳感器、步進(jìn)電機(jī)(J-5718HB3401)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。圖2 為本裝置的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

信號(hào)接收部分的原理圖如圖3所示。光敏電阻傳感器在不同光照強(qiáng)度下會(huì)有不同的電阻值，將不同的電阻值轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓，輸入到電壓比較器進(jìn)行循環(huán)比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高/低電平，隨后將電平傳輸給單片機(jī)；單片機(jī)接收電平信號(hào)，然后控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而使4個(gè)光敏電阻傳感器接收到的光照強(qiáng)度趨于相同[5]。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖

圖3 信號(hào)接收部分的原理圖

1.3 自動(dòng)跟蹤裝置的軟件設(shè)計(jì)

在初始階段，光伏組件需與大地呈平行狀態(tài)，這樣可以避免光伏組件背對(duì)太陽(yáng)而導(dǎo)致其無(wú)法正常工作。

自動(dòng)跟蹤裝置的跟蹤功能會(huì)執(zhí)行2個(gè)程序：識(shí)別方向程序和電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序。單片機(jī)會(huì)先執(zhí)行識(shí)別方向程序，然后根據(jù)識(shí)別方向程序的結(jié)果執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)程序。程序循環(huán)執(zhí)行，直到4個(gè)光敏電阻傳感器接收到的光照強(qiáng)度相同時(shí)，程序控制電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。主要程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

識(shí)別方向程序源于硬件設(shè)計(jì)，電壓比較器LM339將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)后，將比較結(jié)果送至單片機(jī)的P1.0～P1.3接口(4個(gè)電壓比較器輸出的信號(hào)在代碼中已定義)，1#、2#電壓比較器控制水平方向電機(jī)，3#、4#電壓比較器控制垂直方向電機(jī)。

當(dāng)1#電壓比較器輸出為高電平、2# 電壓比較器輸出為低電平時(shí)，單片機(jī)輸出信號(hào)1，控制水平方向電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)1#電壓比較器輸出為低電平、2#電壓比較器輸出為高電平時(shí)，單片機(jī)輸出信號(hào)3，控制水平方向電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)1#與2#電壓比較器輸出相同時(shí)，單片機(jī)輸出信號(hào)2，電機(jī)靜止。3#、4#電壓比較器的工作原理與1#、2#電壓比較器的相同，但控制對(duì)象不同，3#、4#電壓比較器控制垂直方向電機(jī)。

電機(jī)控制程序會(huì)根據(jù)識(shí)別方向程序的控制字對(duì)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的控制。1#與3#電壓比較器輸出為高電平信號(hào)時(shí)，單片機(jī)會(huì)根據(jù)這兩個(gè)電壓比較器輸出的結(jié)果進(jìn)行邏輯處理，觸發(fā)兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)的代碼；同理，2#與4#電壓比較器發(fā)出高電平的信號(hào)，單片機(jī)會(huì)觸發(fā)兩個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)的代碼。當(dāng)出現(xiàn)1#與2#電壓比較器或3#與4#電壓比較器輸出相同電平的情況時(shí)，為了防止電機(jī)出現(xiàn)顫動(dòng)的情況，單片機(jī)會(huì)令電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。在一次程序執(zhí)行完畢后，單片機(jī)會(huì)清除控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向碼及轉(zhuǎn)動(dòng)碼，重新獲取電壓比較器的輸入信號(hào)，控制電機(jī)持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，可以快速與太陽(yáng)保持垂直狀態(tài)。

當(dāng)方向碼和轉(zhuǎn)動(dòng)碼確定后，單片機(jī)會(huì)輸出方向信號(hào)和脈沖信號(hào)。從P0和P2兩處的I/O接口處發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器再將信號(hào)進(jìn)行放大，進(jìn)一步控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

2 系統(tǒng)的實(shí)測(cè)結(jié)果

本文所設(shè)計(jì)制作的雙軸自動(dòng)跟蹤裝置如圖5所示，該裝置還可為蓄電池充電。在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，位于4個(gè)頂點(diǎn)處的光敏電阻傳感器如果直接處于過(guò)強(qiáng)的太陽(yáng)光照射下，其分別轉(zhuǎn)換得到的輸出電壓基本相同，導(dǎo)致光伏組件無(wú)法自動(dòng)跟蹤。因此，用紙板對(duì)每個(gè)光敏電阻進(jìn)行了部分遮擋，從而擴(kuò)大了光敏電阻傳感器安裝點(diǎn)的光強(qiáng)差，進(jìn)而提高了該裝置的靈敏度。實(shí)踐表明，采用此種方法后可較好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤功能。

圖5 雙軸自動(dòng)追光裝置實(shí)物圖

為了研究具有自動(dòng)跟蹤功能的裝置是否能改善光伏組件的發(fā)電性能，對(duì)該裝置在30 min內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行了測(cè)量。

測(cè)量選在晴天的13：30進(jìn)行，用光度計(jì)測(cè)量了30 min內(nèi)地表的光照強(qiáng)度，采樣頻率為5 min/次。對(duì)雙軸自動(dòng)跟蹤裝置的短路電流和開(kāi)路電壓同樣以5 min為間隔進(jìn)行測(cè)量，并與傳統(tǒng)光伏組件固定時(shí)的情況進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果如表1所示。兩項(xiàng)測(cè)試使用的是同一塊光伏組件，排除了光伏組件轉(zhuǎn)換效率不同引起的誤差。其中，光伏組件的輸出功率為短路電流和開(kāi)路電壓的乘積。

表1 光伏組件固定發(fā)電與自動(dòng)追光發(fā)電的對(duì)比數(shù)據(jù)

圖6為光伏組件固定發(fā)電與自動(dòng)跟蹤發(fā)電的發(fā)電功率對(duì)比情況。結(jié)合表1和圖6可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)跟蹤時(shí)的發(fā)電功率比固定時(shí)的發(fā)電功率提高了14.9%；同時(shí)，自動(dòng)跟蹤情況下的光伏組件發(fā)電功率更加穩(wěn)定，這表明該裝置的自動(dòng)跟蹤功能可使光伏組件與太陽(yáng)保持垂直角度，提高發(fā)電效率。特別是隨著時(shí)間的推移，固定裝置感受到的光強(qiáng)呈下降趨勢(shì)，導(dǎo)致其發(fā)電功率下降，而跟蹤裝置感受到的光強(qiáng)相對(duì)更加穩(wěn)定，因此發(fā)電功率受到的影響不大，即使考慮到裝置自身消耗掉的小部分功率，此自動(dòng)跟蹤發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)仍得到了體現(xiàn)。

圖6 固定發(fā)電與自動(dòng)追光發(fā)電的發(fā)電功率對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套基于STC-89C52單片機(jī)的光伏組件雙軸自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置采用4個(gè)光敏電阻作為傳感器，以單片機(jī)STC-89C52作為控制核心，可根據(jù)太陽(yáng)的位置自動(dòng)調(diào)整角度。通過(guò)對(duì)同樣一套裝置在固定與自動(dòng)跟蹤兩種模式下的發(fā)電性能的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，自動(dòng)跟蹤模式的發(fā)電功率更高、更穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，此裝置可為光伏組件的安裝方式提供一定參考。