面向太陽(yáng)能組件的新型日晷式太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

郭鵬 朱元琪 黃曉雪

摘 要：基于HT66F70A單片機(jī)，采取四象限測(cè)光原理和傳感器定位方式，設(shè)計(jì)了一套新型日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)優(yōu)化了光伏太陽(yáng)能組件的工作過(guò)程，運(yùn)用HT66F70A單片機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)位置，盡可能使太陽(yáng)光垂直入射到光伏板上，以獲得最大光伏發(fā)電利用率，從而提高光電轉(zhuǎn)化率并降低光伏板投入成本。同時(shí)，結(jié)合風(fēng)速測(cè)量功能，使系統(tǒng)具備抗環(huán)境干擾功能，提高了太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)化利用率，具有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：日晷;太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng);光伏組件;四象限測(cè)光;單片機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TK513.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2019）22-0034-03

A New Sundial Sun Tracking System for Solar Components

GUO Peng ZHU Yuanqi HUANG Xiaoxue

Abstract： Based on the Single Chip HT66F70A， using a Four Quadrant photometric principle， we designed a novel sundial mode solar positioning tracking system. This system could optimize the working process of PV Module. Through the Single Chip HT66F70A， it could automatically tracking the position of solar， with vertical incidence of solar light， optimizing the photon-to-current conversion efficiency， reduce power generation cost. At the same time， combined wind measurement function， the system was insensitive to environmental disturbance. This system had good prospects for application.

Keywords： sundial;sun tracking system;solar components;four quadrant photometry;MCU

隨著全球?qū)Νh(huán)境、資源等問(wèn)題的重視，對(duì)可再生資源的需求也越來(lái)越迫切，新能源的應(yīng)用已然成為一股潮流，尤其是對(duì)太陽(yáng)能、風(fēng)能等的利用，已經(jīng)成為廣泛關(guān)注的話題[1-3]。

目前，太陽(yáng)跟蹤裝置主要分為兩大類(lèi)，即機(jī)械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)太陽(yáng)跟蹤器的研究方向偏向于對(duì)光電式太陽(yáng)跟蹤器的研究，尤其注重對(duì)機(jī)電一體化雙軸太陽(yáng)跟蹤器的研究。但是，光電式太陽(yáng)跟蹤器易受天氣影響，無(wú)法時(shí)刻跟蹤太陽(yáng)，使得太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率較低[4，5]。由此，本文提出新型的日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)，以感知日晷代替感知光來(lái)提高太陽(yáng)定位跟蹤器對(duì)環(huán)境變化的適應(yīng)能力[6-8]。該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)能削弱環(huán)境因素對(duì)信號(hào)的干擾，降低感應(yīng)信號(hào)誤差;而對(duì)應(yīng)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)，能增強(qiáng)跟蹤器對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)能力，有效避免跟蹤器誤操作和不響應(yīng)問(wèn)題[9，10]。

本文設(shè)計(jì)的新型日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)是基于HT66F70A單片機(jī)控制，結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)的一套運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。其突破現(xiàn)行固定的跟蹤系統(tǒng)，使搭載的光伏板實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)所在位置，獲得垂直入射的太陽(yáng)光，以獲得最大光伏發(fā)電利用率。對(duì)于獲取相同發(fā)電量的產(chǎn)品，在裝備了本跟蹤系統(tǒng)后，能減小使用光伏板的面積，從而大幅縮減制造成本。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

新型日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)主要由電源模塊、HT66F70A單片機(jī)控制模塊、太陽(yáng)位置檢測(cè)模塊、運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊、限位模塊、晝夜檢測(cè)模塊和風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)模塊組成。系統(tǒng)通過(guò)各檢測(cè)模塊感知太陽(yáng)位置，判斷運(yùn)動(dòng)方向，并控制驅(qū)動(dòng)電路，從而控制光伏發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光垂直入射到光伏板上，獲得最大轉(zhuǎn)換效率。

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊

電源模塊主要由太陽(yáng)能控制器、開(kāi)關(guān)與蓄電池組成，實(shí)現(xiàn)電源管理功能，為其他功能模塊提供工作電壓，提供5V和12V兩種直流電。

2.2 單片機(jī)控制模塊

HT66F70A單片機(jī)作為整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的核心部件，滿足實(shí)時(shí)控制的要求。HT66F70A單片機(jī)是16位單片機(jī)，內(nèi)部集成五個(gè)計(jì)時(shí)模組（Timer Module），提供時(shí)間測(cè)量、輸入捕捉、比對(duì)吻合輸出以及PWM與單脈沖輸出等功能。同時(shí)，單片機(jī)接收限位、晝夜和風(fēng)向風(fēng)速等檢測(cè)信號(hào)，智能排除環(huán)境干擾，避免機(jī)械卡死和誤運(yùn)動(dòng)，并在風(fēng)速超過(guò)一定限值時(shí)，自動(dòng)調(diào)整光伏板至順風(fēng)狀態(tài)，以確保系統(tǒng)自身結(jié)構(gòu)不受損壞。

2.3 太陽(yáng)位置檢測(cè)模塊

太陽(yáng)位置檢測(cè)模塊利用四象限原理，在太陽(yáng)光直射時(shí)，陰影不足以遮蓋光敏電阻感光面，四象限光敏二極管保持一致，此時(shí)系統(tǒng)獲得最大入射角和最大轉(zhuǎn)換效率，運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊靜止;當(dāng)太陽(yáng)光斜射時(shí)，陰影會(huì)偏向一邊，遮蓋住某一象限的光敏電阻感光面，經(jīng)過(guò)比較電路傳給單片機(jī)，控制運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊工作，跟蹤太陽(yáng)位置，使太陽(yáng)光直射。

2.4 運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊

太陽(yáng)位置檢測(cè)模塊計(jì)算太陽(yáng)位置后，通過(guò)單片機(jī)的輸出引腳發(fā)生電平變化，此信號(hào)經(jīng)過(guò)放大電路使舵機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)光伏板轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定位跟蹤。

2.5 限位模塊

限位模塊安裝于系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，以限制轉(zhuǎn)動(dòng)角度在0°～180°，防止出現(xiàn)舵機(jī)卡死的現(xiàn)象。

2.6 晝夜檢測(cè)模塊

檢測(cè)白天與黑夜，為單片機(jī)控制模塊提供信號(hào)。本系統(tǒng)在黑夜內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)，防止誤轉(zhuǎn)動(dòng)，以節(jié)省電能消耗。

2.7 風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)模塊

利用單片機(jī)的通用定時(shí)計(jì)數(shù)器，對(duì)風(fēng)速脈沖進(jìn)行定時(shí)和計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)計(jì)算出風(fēng)速。風(fēng)向則是檢測(cè)輸入的風(fēng)向格雷碼，將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼，通過(guò)查表的方式求出風(fēng)向角度，最終確定風(fēng)向。新型日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)的主要模塊如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 HT66F70A單片機(jī)外設(shè)程序

系統(tǒng)運(yùn)用HT66F70A單片機(jī)的TIM、PWM、IO等外設(shè)，編程時(shí)先完成外設(shè)寄存器的基本配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初始化。然后實(shí)現(xiàn)東西向舵機(jī)運(yùn)動(dòng)角度的控制;風(fēng)速檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)風(fēng)速超過(guò)5級(jí)風(fēng)速8m/s，需要恢復(fù)平衡位置;日出歸東;實(shí)時(shí)跟蹤等功能。主要程序分析如下。

3.1.1 舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的控制，需要通過(guò)IO口輸出PWM波形，周期為20ms，脈寬范圍為500～2 500μs，當(dāng)旋轉(zhuǎn)角度超過(guò)范圍后，取極限值。東西向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序如下：

void driver_ew（long th） {

long i，j;

if（th<=tmin_ew） //取極限值

th=tmin_ew;

if（th>=tmax_ew）

th=tmax_ew;

j=th/10;

pout_ew = 1;

for（i=0;i<j;i++）//控制脈寬

GCC_NOP（）;

pout_ew = 0;

GCC_DELAY（38500）;}

南北向舵機(jī)驅(qū)動(dòng)程序與東西向類(lèi)似，不再重述。

3.1.2 運(yùn)動(dòng)方向程序。根據(jù)四象測(cè)光原理，由對(duì)立向的光敏二極管狀態(tài)，判斷太陽(yáng)光入射是否偏向，從而控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)，東西向旋轉(zhuǎn)程序如下：

if（！（pin_1 && pin_3））{

GCC_DELAY（20000）;

if（（pin_1==0）&&（pin_3==1））{

tew = tew-10;

if（tew<tmin_ew）

tew=tmin_ew;

driver_ew（tew）; }

if（（pin_1==1）&&（pin_3==0））{

tew = tew+10;

if（tew>tmax_ew）

tew=tmax_ew;

driver_ew（tew）; }}

南北向旋轉(zhuǎn)程序與東西向類(lèi)似，不再重述。

3.1.3 風(fēng)速檢測(cè)功能。風(fēng)速傳感器輸出模擬量，需要經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后判斷。若檢測(cè)風(fēng)速超過(guò)5級(jí)風(fēng)速8m/s，需恢復(fù)平衡位置，由傳感器輸出特性（風(fēng)速與輸出電壓關(guān)系）W=V/5×45可得對(duì)應(yīng)電壓約0.89V，故取16次ADC數(shù)據(jù)和為0x2d00，程序如下：

if（asss>0x2d00）{

driver_sn（1500）;

fwind=1;}

3.2 軟件控制流程

新型日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)跟蹤，并使系統(tǒng)具備抗環(huán)境干擾功能的控制流程圖如圖4所示。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的新型日晷式太陽(yáng)定位跟蹤系統(tǒng)主要由電源模塊、HT66F70A單片機(jī)控制模塊、太陽(yáng)位置檢測(cè)模塊、運(yùn)動(dòng)跟蹤模塊、限位模塊、晝夜檢測(cè)模塊和風(fēng)向風(fēng)速檢測(cè)模塊組成。其通過(guò)四象限比較原理判斷太陽(yáng)方位，驅(qū)動(dòng)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到實(shí)時(shí)定位跟蹤的目的。本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)和控制程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，容易操作，價(jià)格低廉，具有跟蹤和自我保護(hù)功能，性能穩(wěn)定可靠，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

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