小型極軸太陽能發電追蹤控制器的研制

曾忠利　李松柏　江紹明

[摘要]太陽能電池組件可以固定安裝，也可以安裝成單軸、雙軸等不同的自動跟蹤系統。介紹以單片機為核心，根據時鐘芯片內的時間，控制步進電機在東西方向單軸自動跟蹤的太陽能發電追蹤控制器。本系統提高追蹤控制精度，從而達到提高太陽能發電效率及降低發電成本的目的，具有廣泛的應用潛力。

[關鍵詞]極軸 單片機 時鐘芯片 步進電機 跟蹤

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420029－01

一、引言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發展前景非常廣闊，而太陽能發電已成為全球發展速度最快的技術，太陽能的應用受到廣泛的關注并已取得一定的成就。然而它也存在著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板數組基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發電效率低下。據實驗，在太陽能發電中，相同條件下，采用自動跟蹤發電設備要比固定安裝發電設備的發電量提高35%，成本下降25%，因此在太陽能利用中，進行跟蹤是十分必要的。而跟蹤裝置的精度明顯地影響設備利用太陽能的性能，因此對跟蹤式太陽能發電系統的研制是一項很有意義的工作。

二、追蹤控制器工作原理

些控制器是以計算太陽運行軌跡的方法來控制步進電機帶動電池組件運行，因此系統的安裝將對追蹤精度造成影響。太陽在一年中隨著季節的變換，高度角也在不停的變化，所以追蹤器在設計上做了月份修正系統以使追蹤器更加精準的對準太陽。為了降低高度角的位置對控制精度的影響，安裝時根據當地緯度和當時月份調整好高度后再安裝太陽能電池板，并使其在零位狀態時受光面朝向正東方向。

系統安裝完成并檢查無誤后，初次按下控制器上的復位鍵，驅動步進電機轉動。當電機轉軸底部安裝的小磁鐵碰上限位開關時，開關閉合，電機停止轉動。如果此時太陽能電池板沒有與地面垂直，可以再次調整使其達到安裝要求。然后按下運行鍵，單片機將根據時鐘芯片內的當前時間，計算理論脈沖數，再驅動電機轉動到當前時間的位置。

控制器根據時鐘苾片內的時間，通過單片機控制追蹤器在東西方向單軸跟蹤太陽。我們通過軟件調整脈沖頻率來控制電機轉動速度，使電機每分鐘轉動一個脈沖的距離時，帶動組件所走的位置與模擬太陽運行軌跡基本一致，從而提高跟蹤精度。控制器工作時間為早七點到晚七點，早上七點時，單片機驅動步進電機每分鐘轉動一個脈沖。到晚上七點時，單片機控制步進電機反轉回到起始狀態，即太陽能電池受光面朝向正東的位置。如此反復，達到全自動跟蹤。如果在運行過程中，時間丟失，追蹤器轉軸底部的限位開關將起到強制保護的作用，從而減小或避免不必要的損失。

三、控制器設計

（一）硬件設計

1.電源電路。由于系統給蓄電池充電電壓為12V，而控制器電源電壓為5V。所以由系統為控制器供電，就需降壓電路將12V降為5V。為降低系統功耗，我們未直接采用普通線性穩壓器件，而采用的是高效率的SPX2945集成電路作為電源控制。SPX2945是低功耗的電壓調節器，它是無線電話、無線電控制系統和手提電腦等電池供電應用的最佳選擇。SPX2945具有很低的靜態電流（典型值為100μA）和壓差。緊密的初始容限（最大為1％），以及很小的輸出溫度系數，使SPX2945可用作低功耗的電壓基準。[1]

2.單片機電路。P89C52基于80C51內核采用PHILIPS高密度CMOS技術設計制造，包含中央處理單元、256字節內部數據存儲器RAM、32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數器和6個中斷源、4層優先級中斷嵌套結構、片內時鐘振蕩電路等。

P89C52單片機含有非易失FLASH、并行可編程的程序內存。在100次擦除和編程之后仍能可靠保存FLASH內存在的內容，單元的設計使擦除和編程結構最優化。可用于多機通信的串行I/O口、I/O擴展或全雙工UART除了通過查詢停止位對幀錯誤進行檢測和地址自動識別外，串口通信和標準的80C51異步串行通信一樣，支持多機通訊。

此外，P89C51采用低功耗靜態設計。Idel模式下，CPU內容、片內RAM和所有SFR保持原來的值。任何被使能的中斷（此時，程序從中斷服務程序處恢復并繼續執行）或硬件復位（與上電復位使用相同的方式啟動處理器）均可終止Idel模式。由于是靜態設計，所以掉電模式下，時鐘振蕩停止，RAM數據會得以保存，停止芯片內其它功能。CPU喚醒后，從時鐘斷點處恢復執行程序。[2]

3.時鐘電路。我們選用PCF8563RTC芯片為系統提供工作時鐘。PCF8563

是PHILIPS公司推出的一款帶I2C總線，具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。它有16個8位寄存器，所有16個寄存器設計成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前兩個寄存器用于控制寄存器和狀態寄存器，內存地址02H～08H用于時鐘計數器（秒～年計數器）。I2C總線接口器件為集電極開路，在與單片機相連時要接上拉電阻。[3]

四、追蹤器設計

本系統的追蹤器部分以步進電機為驅動，它是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。[4]當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度。我們可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。[5]

五、結束語

經過近一年時間的開發及應用，我公司研制的小型極軸太陽能發電自動跟蹤系統產品已經比較成熟，并取得了很好的成效。由于使用單片機及步進電機控制，跟蹤器的跟蹤精度達到了0.1度，比固定安裝太陽能發電系統的發電效率明顯提高，并降低了發電成本。該產品已在汶川地震及四川德容工程中得到廣泛運用，并且運行情況良好。

*國家高技術研究發展計劃（863計劃），MW級并網光伏電站系統，高倍MW級聚光型（CPV）并網電站及關鍵設備研制（2006AA050204）。

參考文獻：

[1]Sipex Corporation，400mA Low Dropout Voltage Regulator with Shutdown，2004.

[2]p89c5x單片機使用手冊[R].http://www.zlgmcu.com.

[3]Real-tim clock/calendar PCF8563[Z].PHILIPS，1999.

[4]吳紅星，電機驅動與控制專用集成電路及應用，中國電力出版社，2006.

[6]王宗培，步進電動機及其控制系統，哈爾濱工業大學出版社，1986.