基于單片機的雙軸光伏尋日系統設計

張暉

（南通航運職業技術學院 江蘇 南通 226010）

能源是促進經濟發展和社會進步的原動力，從工業革命以來，人類所使用的主要能源為石化能源，然而其蘊藏量有限，大量的使用會造成全球環境生態和氣候產生很大的變化，而太陽能是一種取之不盡、用之不竭并且無污染的清潔能源，隨著人類對能源的使用從常規能源向可再生能源轉移，太陽能則成為人類理想的替代能源。而目前的太陽能發電效率普遍都不高，所以如何增加太陽能發電系統的發電效率是值得研究的。

使用太陽跟蹤技術，使光伏電池板始終面向光強最強的方向，可以很好的提高光伏發電系統的發電效率，據研究表明，具有雙軸式光伏尋日跟蹤系統的光伏發電系統，其發電效率比固定無跟蹤發電系統的效率提高40%左右，文中研究的是基于AT89S52單片機的光伏雙軸跟蹤系統設計。

1 系統總體設計

尋日系統光伏板跟蹤方式有光控和時控兩種，光控方式是使用光強傳感器，根據光線的強弱判斷太陽的位置，然后驅動電機轉動支架進行跟蹤；時控方式是根據經緯坐標，利用計算公式計算太陽的位置并進行跟蹤。本系統采用時控與光控互補結合控制的方式，光線較強時采用雙軸跟蹤傳感器進行跟蹤控制，光線較弱時采用時控方式根據經緯度與時間進行跟蹤控制。系統總體結構圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 System structure frame

本系統包括雙軸跟蹤傳感器、風速傳感器、水平電機、俯仰電機、LCD顯示、按鍵手動輸入調節、時鐘芯片、AT89S52單片機以及相應的外圍電路等。光伏裝置有兩個自由度。控制機構通過水平電機和俯仰電機對水平方向與垂直方向進行調整，控制裝置的位置將由雙軸跟蹤傳感器對其位置進行反饋，由控制系統對調整是否到位進行判斷。時鐘芯片的初始時間由按鍵輸入，以便采用時控方式。

2 系統硬件電路設計

從尋日系統的功能、成本、接口電路等方面綜合考慮，本系統采用ATMEL公司的AT89S52單片機為控制核心，該單片機具有8 kB的Flash ROM和256 kB的RAM，支持ISP下載功能，支持空閑、掉電兩種可選節電模式。在系統結構上，由傳感器模塊、顯示模塊、輸出模塊和電機驅動模塊4部分構成。

2.1 傳感器模塊及接口設計

1）雙軸跟蹤傳感器

雙軸跟蹤傳感器是由上遮光板、側遮光板、光敏傳感器、底座組成，外觀與結構圖見圖2所示。傳感器安裝在光伏板上，傳感器中4個光敏電阻用來檢測太陽相對光伏板的相對位置，若傳感器沒有正對著太陽，由于遮光板的遮光作用，會引起光敏電阻的阻值發生變化，電阻的偏差被送入驅動電路中，電路里產生相應的控制信號控制電機，從而導致光伏板發生旋轉，最終達到與太陽正對的方向。

圖2 雙軸跟蹤傳感器結構圖Fig.2 Diagram of the two-axe solar tracking sensor

雙軸跟蹤傳感器控制電路也包括兩個電壓比較器，光敏電阻RT1、RT2是一種電阻值隨著光照強度發生變化的的電阻，當陽光直射時，兩個光敏電阻的阻值相同，運算放大器LM358的同相輸入端和反相輸入端的電壓差為0，此時單片機上無輸入；若陽光不處于直射位置，則兩個光敏電阻RT1和RT2的阻值不相同，LM358的兩端會產生電壓差，由于運算放大器處于開環狀態，因此會給單片機發出控制指令0或1，從而控制電機向某一方向旋轉。其基本原理如圖3所示。

圖3 雙軸跟蹤傳感器原理圖Fig.3 Schematic of the two-axe solar tracking sensor

2）風速傳感器

風速傳感器用于檢測當前風速，當在臺風天氣中，風速超過預設值時，控制系統使太陽能電池板處于水平位置，從而減小受風面積，避免太陽能裝置因風力過大而受損。風速傳感器的型號為FC-2A3，輸出為0～5 V的電壓，測量風速范圍0～30 m/s。傳感器的信號經過A/D轉換后送入單片機，A/D轉換器選用TLC0831，是8位逐次逼近電壓型A/D轉換器，支持單信道輸入串口輸出，極性設置固定，不需尋址，其內部有一采樣數據比較器將輸入的摸擬信號微分比較后轉換為數字信號。模擬電壓采用差分輸入方式有利于抑制共摸信號，減少或消除轉換的偏移誤差。電壓基準輸入可調，使小范圍摸擬電壓信號轉化時的分辨率更高。由標準移位寄存器或微處理器將時間變化的數字信號分配到串口輸出，當IN-接地時為單端工作，此時IN+為輸入，也可將信號差分后輸入到N+與N-之間，此時器件處于雙端工作狀態。其電路設計如圖4所示。

圖4 A/D轉換電路Fig.4 Circuit of A/D converter

2.2 電機驅動電路設計

在本尋日系統中，驅動俯仰機構和水平機構轉動的電機為24 V直流永磁電動機，太陽能電池板水平方向和俯仰角的調整，需要驅動電機能夠具有2個相反的運動方向，在本系統電路中，通過繼電器改變電流的方向，從而使電機能夠反向轉動，為了控制好電池板的調整速度，機構中加上了減速裝置，其電氣圖如圖5和圖6所示。

圖5 直流驅動電動機主電路Fig.5 Main circuit of DC motor

圖6 單片機繼電器驅動電路圖Fig.6 Relay driver for MCU

3 控制策略及程序設計

3.1 太陽運行軌跡的計算

要實現對太陽的跟蹤，需要知道某一時刻某一位置，太陽的高度角αs和方位角γs。太陽運行軌跡即太陽相對于地球的位置，可用兩種坐標系來描述：赤道坐標系和地平坐標系。

赤道坐標系是指太陽相對地球的位置是相對赤道平面而言，用赤緯角δ和時角ω來表示，赤緯角可用Cooper方程近似計算，即：

式中，n為一年中的日期序號，如元旦為n=1，12月31日為n=365。時角ω的數值等于離正午的時間（小時）乘以15°，上午為負，下午為正。

太陽高度角 αs、天頂角 θz和緯度 φ、赤緯角 δ、時角 ω 的關系為：

方位角 γs與赤緯角 δ、高度角 αs、緯度 φ 及時角 ω 的關系為：

3.2 控制系統流程圖

控制系統的總體流程圖如圖7所示。系統啟動后，需要使用按鍵手動輸入參數，包括當地經度、緯度及時間（采用24小時制）。若室外風力在5級以下，則將光伏板進行尋日跟蹤，否則將驅動水平電機，將光伏板設置成水平方向，防止因風力過大而損壞光伏板。在尋日過程中，若室外天氣晴朗，則采用光控方式，利用雙軸跟蹤傳感器對光照最強的位置進行跟蹤，若室外為陰天，則通過經緯度及時間計算太陽的高度角及方位角，通過時控方式對太陽進行跟蹤，若光照強度過低，則將光伏板水平放置。

圖7 控制系統流程圖Fig.7 Flow char of system program

4 實驗測試結果

本系統主要為提高光伏發電系統的發電量而設計，在測試時，選用了兩塊參數相同的光伏板，一塊光伏板采用最佳傾斜角度進行固定安裝，另一塊光伏板安裝本雙軸光伏尋日系統，其對比數據如圖8所示。

圖8 固定式與跟蹤式光伏組件某日發電功率跟蹤對比曲線Fig.8 Output power contrast by fixed and tracking PV module during one day

5 結束語

基于單片機的雙軸光伏尋日系統以AT89S52[8]單片機為核心，能夠根據天氣狀況自動選擇尋日跟蹤方式，性能穩定，跟蹤經度高，安裝方便，價格低廉，能夠有效的提高光伏發電系統的發電量，可適用于光伏交通警示燈、小型光伏電站等光伏發電系統中。

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