太陽能電池板雙軸自動跟蹤系統(tǒng)

臨沂大學(xué)物理與電子工程學(xué)院 董士韋 劉 暢 劉 冰 董佳樂 王法社

本設(shè)計是太陽能電池板雙軸自動跟蹤系統(tǒng)。以AT89S52單片機(jī)為控制核心。由光敏傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路、步進(jìn)電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動電路等模塊構(gòu)成系統(tǒng)硬件。傳感器采用光敏電阻作為光-電轉(zhuǎn)換器件。利用四個完全相同的光敏器件組成4個對稱監(jiān)測點，對不同監(jiān)測點的光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，利用PCF8591芯片將電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入單片機(jī)。在單片機(jī)控制電路的控制下驅(qū)動方位角調(diào)整機(jī)構(gòu)和高度角調(diào)整機(jī)構(gòu)實現(xiàn)相應(yīng)的位置調(diào)整。系統(tǒng)在設(shè)計上具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便和功能可擴(kuò)展等優(yōu)點。

我國在太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用和研究方面起步較晚。近些年以來，我國加大對光伏產(chǎn)業(yè)的投入，使得我國太陽能發(fā)電行業(yè)發(fā)展迅速。已經(jīng)成為全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量和新增裝機(jī)容量最大的國家。太陽能資源作為清潔能源有巨大的市場需求和應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)固定的太陽能電池板的缺點是易受自然因素的影響，且太陽能的利用率較低。提高光電轉(zhuǎn)化效率是提高太陽光的采集效率最直接有效的方法，因此高效率的光電轉(zhuǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計對提高太陽能的利用率具有重大應(yīng)用意義。設(shè)計保持光線實時與太陽能電池板保持垂直的系統(tǒng)能夠有效提高太陽能的利用率和光電轉(zhuǎn)化效率。隨著單片機(jī)控制技術(shù)快速發(fā)展，基于單片機(jī)設(shè)計跟蹤機(jī)構(gòu)進(jìn)行方向控制，實時調(diào)整太陽能電池板和光線的角度，達(dá)到高效利用太陽能的目的。系統(tǒng)設(shè)計目標(biāo)就是實現(xiàn)實時自動調(diào)整最大采光角度，從而高效利用太陽能。研究表明：太陽光的跟蹤控制和固定的太陽能電池板相比，能量的接收率提高接近40%，所以，設(shè)計自動跟蹤控制系統(tǒng)可以有效提高太陽能裝置利用效率，拓寬太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域。

太陽能電池板跟蹤的實現(xiàn)方法主要有兩種。第一種是太陽運動軌跡跟蹤，利用不同經(jīng)緯度地區(qū)的天文學(xué)數(shù)據(jù)，計算太陽運動軌跡的理論值，控制裝置根據(jù)軌跡實現(xiàn)太陽跟蹤。該跟蹤方式是基于開環(huán)控制的跟蹤方法，有較高的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性。但是，太陽角度的計算存在誤差，無法進(jìn)行誤差修正，會造成誤差的不斷積累，影響跟蹤精度。第二種是光電跟蹤，原理是利用光敏元件來檢測光線強(qiáng)度，控制跟蹤裝置追蹤太陽光線的運行。將光敏電阻安裝在遮光擋板不同位置，調(diào)整擋板的位置，保證太陽垂直入射。隨著太陽方位發(fā)生偏轉(zhuǎn)，不同位置監(jiān)測點會檢測并輸出不同的光照強(qiáng)度信號。根據(jù)不同監(jiān)測點信號差來控制跟蹤機(jī)構(gòu)做相應(yīng)的調(diào)整，保證太陽能電池板與光線始終保持垂直。光電跟蹤采用閉環(huán)控制形式，有較好的跟蹤靈敏度，可以實現(xiàn)全自動跟蹤太陽軌跡。

本設(shè)計采用光電跟蹤方法，利用光敏器件采集不同位置光強(qiáng)度，采用電、機(jī)、光集成技術(shù)，實現(xiàn)方位角和公度角方向的雙軸跟蹤。實現(xiàn)全自動跟蹤控制?？刂葡到y(tǒng)將具有實時時間、日期采集、方位角、高度角計算、自充電功能、顯示運行狀態(tài)（運行、停止、返回）；實時數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通信等功能。

1 總體設(shè)計

本設(shè)計雙軸跟蹤系統(tǒng)，在兩個步進(jìn)電機(jī)的控制下，能夠?qū)崟r實現(xiàn)在方位角和高度角兩個方向進(jìn)行位置跟蹤。多個光敏電阻測量光強(qiáng)度，光電轉(zhuǎn)換電路把光強(qiáng)度值轉(zhuǎn)變成電壓值。根據(jù)不同位置的電壓差值，單片機(jī)控制電路驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。調(diào)整太陽能板的方位角及高度角，實現(xiàn)太陽能板始終與光線垂直，如圖1所示。如果兩個監(jiān)測點光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度相等或他們之差小于精度值。單片機(jī)停止驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動。如果光線與采光板不垂直，兩個監(jiān)測點光敏電阻接收到的光照強(qiáng)度不相等或他們之差大于精度值，單片機(jī)驅(qū)動電機(jī)向光強(qiáng)度較高的一側(cè)運動，直至光照強(qiáng)度信號相同。從而實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)的目標(biāo)。

圖1 總體設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

設(shè)置當(dāng)系統(tǒng)處于光線較弱或夜晚或低于最低設(shè)定值時，停止對光信號的采集和電機(jī)的驅(qū)動。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)控制電路

晶振電路為AT89C52單片機(jī)提供時鐘信號，引腳XTAL1和XTAL2是放大器的輸入和輸出端。外部電容C22，C23將容量設(shè)置為30Pf。復(fù)位電路電容C1兩端接一個按鍵即可，當(dāng)按下按鍵時，電容被短路，RST引腳接收到高電平信號，可以實現(xiàn)復(fù)位。EA接VCC。如圖2所示。

圖2 單片機(jī)最小系統(tǒng)

2.2 光照采集電路

設(shè)置A、B、C、D4個光監(jiān)測點，光檢測點A對左遠(yuǎn)離光線進(jìn)行檢測，光電檢測A、B實現(xiàn)光線水平方向角度變化檢測，光檢測C與D對太陽垂直角度的變化檢測。將檢測到的光線變化信號通過PCF8591傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后控制驅(qū)動芯片ULN2803控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽能電池板垂直和水平角度調(diào)整。四個光敏電阻在太陽能板四個方向?qū)ΨQ放置，A、B的檢測值控制方位角控制電機(jī)，C、D控制高度角控制電機(jī)，如圖3所示。

圖3 光敏電阻分布模型

光敏電阻D4-D7和PCF8591的AIN0-AIN3相連。PCF8591是具有I2C總線接口的8位A/D轉(zhuǎn)換芯片，靠時鐘線SCL和數(shù)據(jù)線SDA就可以實現(xiàn)和AT89C52單片機(jī)的數(shù)據(jù)通信。如圖4所示。

圖4 光電轉(zhuǎn)換電路

2.3 A/D轉(zhuǎn)換電路

PCF8591芯片具有4路8位逐次比較型A/D輸入，1路8位D/A輸出，最大轉(zhuǎn)換速率約為11kHz。具有4個模擬輸入，1個串行I2C總線接口。PCF8591硬件芯片的地址編程通過3個址引腳A0、A1和A2實現(xiàn)。

通過雙向I2C總線以串行的方式進(jìn)行傳輸?shù)刂?、控制和?shù)據(jù)信號。P.0連接SDA引腳，P1.1接SCL引腳，A0-A2接地，如圖5所示。

圖5 PCF8591電路連接圖

2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

ULN2803構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路，如圖6所示。ULN2803芯片符合TTL標(biāo)準(zhǔn)，為反向輸出型電路。一個ULN2803可以驅(qū)動2個步進(jìn)電機(jī)，P2口接驅(qū)動芯片ULN2803的輸入端。

圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路

2.5 充電模塊電路

采用CN3791充電管理模塊，應(yīng)用充放端口共用技術(shù)，以及同步整流技術(shù)，外圍元件少。

高端技術(shù)MPPT太陽能大功率跟蹤充電管理芯片，具有涓流、恒流、恒壓充電管理。B+接鋰電池的正極，B-接鋰電池的負(fù)極。SUN+和SUN-接負(fù)載，電池從B+B-上短開再接上的話需要充一下電以激活保護(hù)電路，如圖7所示。

圖7 充電模塊電路

3 軟件設(shè)計

首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化。然后A、B、C、D四個監(jiān)測點的光敏電阻測得不同的電壓值U1、U2、U3、U4。設(shè)精度為a。通過比較U1、U2、U3、U4的大小控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動，系統(tǒng)進(jìn)入光電追蹤模式。系統(tǒng)主流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

3.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換程序

模數(shù)轉(zhuǎn)換是本設(shè)計的關(guān)鍵部分，A/D轉(zhuǎn)換使用芯片PCF8951。模擬多路輸入經(jīng)過PCF8951芯片電壓采樣，輸出數(shù)字信號。流程圖如圖9所示。因為有四個通道，所以程序設(shè)計由四個部分組成，每個通道的編程方法相同。以0通道為例，首先讀取PCF8951芯片通道所采集的到模擬量的值，控制發(fā)送字節(jié)0x41，用RecvByte接收讀取A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。因為芯片PCF8951輸入和輸出都進(jìn)行電壓保持采樣，系統(tǒng)內(nèi)部也進(jìn)行了兩次采樣，為了保證輸入和輸出數(shù)據(jù)相同，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。輸出電壓需要RecvByte(PCF8591)*2。用ADC寄存器來寄存每一通道輸出的數(shù)據(jù)。手動模式或其他模式下的操作可以放在最后一個if語句。

圖9 A/D模塊流程圖

3.2 電機(jī)驅(qū)動程序

電機(jī)是將電信號轉(zhuǎn)變成角位移或線位移的開關(guān)控制元件，脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止位置。A、B、C、D四個不同位置光敏電阻測得不同電壓值。如果C監(jiān)測點測得電壓值大于D監(jiān)測點的監(jiān)測值，并且差值大于精度值或者手動模式下按下向下的按鍵，水平電機(jī)向下轉(zhuǎn)動。若D監(jiān)測點電壓大于C監(jiān)測點電壓，并且差值大于精度值或手動模式下按下向上的按鍵，水平電機(jī)正轉(zhuǎn)。同理，A監(jiān)測點電壓大于B監(jiān)測點電壓，兩者差值大于精度值，或手動模式下按下向右的按鍵，方位電機(jī)右轉(zhuǎn)。若A監(jiān)測點電壓小于B監(jiān)測點電壓，兩者差值大于精度值，或手動模式下按下向左的按鍵，方位電機(jī)左轉(zhuǎn)?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)上轉(zhuǎn)的程序如圖10所示。

圖10 步進(jìn)電機(jī)上轉(zhuǎn)控制程序

3.3 電壓采樣程序

A/D電壓采樣由串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時鐘線SCL來實現(xiàn)，即二線制總線。SDA和SCL都是雙向線路，連接到總線上的每一個器件地址唯一，根據(jù)唯一地址可以尋址每一個器件。既可以作為一個發(fā)生器，也可以作為接收器。連接到總線上的器件的串行數(shù)據(jù)線和串行是中線端必須是漏極或集電極開路型。利用I2C總線方式傳輸數(shù)據(jù)，傳輸速率可達(dá)100Kb/s。每傳輸一個數(shù)據(jù)位必須產(chǎn)生一個時鐘脈沖。時鐘線SCL的高電平期間SDA線上的數(shù)據(jù)必須保存穩(wěn)定。發(fā)送到SDA線上的數(shù)據(jù)為8位數(shù)據(jù)，不限制發(fā)送的字節(jié)數(shù)量。從機(jī)接收完一個字節(jié)后，從機(jī)向主機(jī)發(fā)送應(yīng)答位，主機(jī)在收到從機(jī)應(yīng)答后，才能發(fā)送第二字節(jié)數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)應(yīng)先發(fā)數(shù)據(jù)的最高位。數(shù)據(jù)傳輸中，應(yīng)答位由從機(jī)產(chǎn)生，應(yīng)答的時期間，主機(jī)應(yīng)釋放SDA線，使其為高電平。應(yīng)答時，數(shù)據(jù)線SDA電平為低電平。ADC讀字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)流程圖如圖11所示。

圖11 ADC讀字節(jié)數(shù)據(jù)函數(shù)流程

結(jié)論：本設(shè)計是太陽能電池板自動對光跟蹤系統(tǒng)，在以前研究的基礎(chǔ)上做了改進(jìn)和實物設(shè)計。采用光電檢測雙軸追蹤模式，提高了系統(tǒng)的追蹤精度。利用4個光敏電阻構(gòu)成2組比較電路，實現(xiàn)判斷光照角度的目的。使用STC89S52單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的控制核心，采取傳統(tǒng)的硬件和軟件相結(jié)合的開發(fā)方法。系統(tǒng)硬件設(shè)計簡單，軟件程序指令快速簡單，驅(qū)動能力強(qiáng)等優(yōu)點。增加了自供電模塊，為太陽能電池板自動對光跟蹤設(shè)計提供了一種解決方案。