太陽能自動跟蹤系統的設計與實踐

廣西電力職業技術學院 陳國慶 韋 抒 李 捷

太陽能自動跟蹤系統的設計與實踐

廣西電力職業技術學院 陳國慶 韋 抒 李 捷

太陽能作為一種新型能源具有儲量無限、普遍存在、利用清潔、使用經濟等優點，但是太陽能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點，本文設計一種太陽能自動跟蹤系統，其能根據太陽相對地球運動軌跡的規律，控制太陽能板自動實時跟蹤太陽方位，保持太陽能電池板始終與太陽入射光線垂直，從而保持較高的太陽能利用率。本文重點敘述太陽能自動跟蹤控制系統的硬件與軟件設計與實踐的內容。

太陽能；自動跟蹤；GPS；單片機

1.引言

傳統的燃料能源正在一天天減少，對環境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變人類的能源結構，維持長遠的可持續發展。太陽能和風能以其獨有的優勢而成為人們重視的焦點。近幾年國際上光伏發電快速發展，2007年全球太陽能新裝容量達2826MWp。2008年全球光伏市場增至5.5GW，全球太陽能安裝總量已累計達15GW。日本政府2008年11月發布了“太陽能發電普及行動計劃”，確定太陽能發電量到2030年的發展目標是要達到2005年的40倍。2008年9月16日，美國參議院通過了一攬子減稅計劃，其中將光伏行業的減稅政策（ITC）續延2-6年。太陽能光伏發電和風電在我國是一個新興事物，光伏產業讓國內企業看到了機遇，而且該產業的發展需要大量的人才為之服務，這吸引了廣大高等院校的目光，我院在這方面也應該抓住機遇，進行相應的基礎研究和應用開發，為開設相關的專業做準備，具有很強的現實意義。地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發利用，不存在運輸問題。同時，太陽能也是一種潔凈的能源，在開發和利用時，不會產生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態平衡。但是，太陽能的利用有它的缺點：一是能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。二是受大氣影響較大，給使用帶來不少困難。

本文設計一種基于GPS定位及太陽方位計算的的太陽自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽的運動，保證太陽能設備的能量轉換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設備的能量利用率。與此同時加以風力發電機輔助發電給蓄電池充電，進而在夜間給路燈提供電源。

2.太陽能自動跟蹤系統硬件設計

2.1 太陽能自動跟蹤系統的機械構成及工作原理

太陽能自動跟蹤系統的機械結構由太陽能電池板、減速電機、齒輪傳動機構、基座等構成。基座主要支撐和固定太陽能自動跟蹤器。當太陽照射角度發生變化時，垂直方向（Y）和水平方向(X)的減速電機就會相應的通電轉動，通過齒輪機構傳動使太陽能電池板始終與太陽光線垂直，即獲取到最大的太陽光照能量。整個裝置由機械部分和控制部分組成。機械部分主要包括底座、主軸、齒輪和齒圈等如圖1所示。主要實現根據控制電路控制信號執行相應跟蹤動作等。

2.2 控制部分

主要由GPS接收、輔助光傳感器、單片機系統和電機驅動電路等。系統采用GPS模塊獲取當地的時間日期等信息，用以計算實時的太陽方位，進而實現對太陽的根中同時借助輔助光傳感器檢測光照強度，在光強較弱時關閉系統以節約能源。驅動直流電機正反轉，實現電池板對太陽的跟蹤。整機系統如圖2所示。

其中，核心部分是太陽能自動跟蹤裝置如圖3所示，利用GPS全球衛星定位系統獲取裝置安裝地點的經緯度、時間、日期等信息，根據太陽軌跡公式計算出太陽相對裝置的方位，用以驅動太陽能電池板對準太陽，保持太陽光線時刻與太陽能電池板垂直，使太陽能利用率達到最高。與此同時，輔以光敏元件檢測光照強度，在光照不強的陰雨天氣等時候關閉機械驅動以節省電源。整個系統安裝方便，只需確保安裝位置水平，以及對準南北方向即可，系統開啟即自動檢測并校準機械驅動速度。并且系統信息可以通過無線方式遠程傳輸到終端上，可以通過終端遠程隨時查看系統運行狀態。

其中，太陽電池板、風力發電機提供整機的全部電力輸入。白天主控制器控制將太陽能電池板以及風力發電機提供的電量給蓄電池充電。晚上，主控制器按照設定方式點亮LED路燈，若是夜間風力足夠，風力發電機可以同時提供路燈及蓄電池充電的電源。

GPS模塊輸出標準NMEA協議報文，一幀完整的報文數據如下：

利用51單片機接收報文，解析出時間、日期、經緯度等信息，據此計算出太陽方位，控制驅動器對準太陽方位，并且監控驅動器工作狀態，防止電機堵轉等情況時繼續供電損壞電機及驅動器。

2.3 主控制器

采用STC公司的產品STC5A60S2，內部帶有60K flash空間以及1280字節ram空間確保GPS解析及太陽方位計算的可靠運行，同時帶有AD功能，可直接通過光敏電阻檢測環境光線而不必另外增加adc轉換芯片。其引腳功能如圖4所示。

GPS接收部分采用了C3-370C模塊，直接輸出串口NMEA報文數據，極大地簡化了單片機的工作。如圖5所示：

從內部結構圖可以看出，模塊帶有備份電池以及實時時鐘，可以極大地加快熱啟動的尋星定位速度。

2.4 太陽自動跟蹤部分主控制電路原理圖(圖6)

直流電機驅動部分采用L298雙H橋驅動器，L298外形及引腳功能如圖7所示。

2.5 電機驅動部分實際電路(圖8)

2.6 電機堵轉檢測電路

機械裝置置于室外工作，日曬雨淋時間長了容易發生故障，例如電機堵轉等，為防止電機堵轉時驅動器繼續供電導致電機或者驅動器損壞，設計了電機堵轉檢測電路，如圖9：

遠程檢測終端部分，便于無線遠程監控系統的運行狀態，電路如下(圖10、圖11)：主控制器采用了Atmel公司的產品AT89C51，基本功能與STC5A60S2相似，不再重復介紹。終端采用nokia5110液晶顯示器顯示信息，顯示內容豐富，功耗低。并且根據主機傳來的時間信息，智能控制液晶背光開關，只在夜間開啟，進一步節省能源。

2.7 遠程終端整機電路（圖12）

3.太陽能自動跟蹤系統軟件設計

4.太陽能自動跟蹤系統經濟效益分析

中國太陽能資源非常豐富，太陽能資源開發利用的潛力非常廣闊。中國光伏發電產業于20世紀70年代起步，90年代中期進入穩步發展時期。2009年3月23日，財政部、住房和城鄉建設部出臺《關于加快推進太陽能光電建筑應用的實施意見》，并出臺了《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》，決定有條件地對部分光伏建筑進行每瓦最多20元人民幣的補貼。2009年7月21日財政部、科技部、國家能源局聯合宣布在我國正式啟動金太陽示范工程，三部門聯合印發了《關于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動方式，加快國內光伏發電的產業化和規模化發展，并計劃在2-3年內，采取財政補助方式支持不低于500兆瓦的光伏發電示范項目。可見，在我國政府強有力的政策引導下，中國的太陽能光伏發電市場已經開始啟動。

我們設計的該產品具有省略電纜鋪設投資，維護費用低的優點。其相關費用計算如下：

（1）市電路燈每年費用

原來市電路燈100盞x500w=總功率50000瓦，每天照明12個小時等于一天耗電600度電，每年計算總耗電量為219000度電；219000度電x 1.5元=32.8萬元的電費；

（2）太陽能照明系統費用

一次投資改造后，平時不需要保養維護及其它費用，每年可節約32.8萬余元電費；太陽能電池板、風力發電機等主要部件使用壽命為15年到20年，LED照明燈10年以上使用；鉛酸蓄電池使用壽命為3-5年。

圖1 太陽能自動跟蹤系統的機械設計實物圖

圖2 整機拓撲圖

圖3 太陽自動跟蹤部分拓撲圖

圖4 STC12C5A60S2引腳功能

（3）改造10盞燈使用15年之比較

圖5 C3-370C GPS模塊內部框圖

圖6 太陽自動跟蹤控制部分

圖7 L298引腳功能

圖8 太陽自動跟蹤電機驅動部分

表1 10盞燈使用15年之比較表

經過改造后10盞燈15年就可節省開支444030元，隨著常規能源的價格不斷升高，常規能源的價格有進一步升高趨勢，其經濟效益收益是十分顯著的。

本項目的預期目標之二是社會效益。風能太陽能互補路燈處處體現了現代化建設美化環境、保護環境的理念。安裝風能太陽能互補路燈，迎風飛轉的風車不僅可以給道路一種動感的點綴，而且更能突顯我國人民崇尚環保、重視節能和跟蹤高新技術的理念。能向廣大師生和社會群眾進行新能源利用和生態環保知識的直觀教育，其社會效益更是遠遠無法用金錢衡量的。

圖9 太陽自動跟蹤電機堵轉檢測部分

圖10 NOKIA5110液晶顯示器

圖11 RF 315M無線接收模塊

圖12 遠程檢測終端電路

圖13 自動跟裝置軟件流程圖

5.結束語

針對設計實驗中發現的問題，總結可以改進的方面如下：

（1）加強系統機械強度，進一步增強實際使用的可靠性。

（2）考慮機械部件防雨雪、冰凍情況。

（3）優化路燈開關程序，進一步提高節能水平。

（4）針對太陽自動跟蹤裝置基于視日運動規律要求機械部件精度高，不能實時檢測發現誤差的特點，增加光電傳感器跟蹤校正，綜合各自優點，可以大大減小視日運動規律方式的局限性。

本項目介紹的太陽能-風能互補發電儲能路燈控制系統可以有效地提高太陽能利用率，并且綜合利用了風能，智能控制路燈開啟與關閉，有效提高太陽能、風能等清潔能源的利用率，結構安全可靠。經過試驗、測試和實際使用，各項指標均達到了設計要求。本系統設計的太陽自動跟蹤裝置是基于視日運動規律，為使系統具有更高的跟蹤精度，可進一步采用光電傳感器跟蹤校正，構成由視日運動規律跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統。隨著太陽能自動跟蹤裝置的廣泛應用，它定會有助于提高綠色能源利用的進程，為環境保護和提高人民的生活質量做出更大的貢獻。

[1]張文濤.基于PLC的太陽能自動跟蹤系統的設計與實現[J].制造業自動化,2010-3.

[2]尤金正,鄒麗新,周同,王海燕,杜偉巍.太陽自動跟蹤系統的設計[J].現代電子技術,2009-11.

[3]邊文俊.邊疆家用太陽能電池板自動跟蹤太陽光系統設計與應用[J].陰山學刊(自然科學),2011(01).

[4]王青直,徐進.基于PSD傳感器太陽自動跟蹤系統的研究與實現[J].自動化技術,2007-10.

本文為“風能與太陽能路燈系統的開發應用”項目的階段性成果。

陳國慶（1964—），男，廣東興寧人，大學本科，工學學士，講師，高級技師，廣西電力職業技術學院電子與信息工程系副主任，主要研究方向：電氣自動化及節能技術。

韋抒（1960—），男，廣西貴港人，廣西電力職業技術學院副教授，研究方向：自動控制系統及應用。

李捷（1978—），男，廣西南寧人，碩士研究生，廣西電力職業技術學院電子與信息工程系講師，主要研究方向：電子信息技術。