新型太陽能跟蹤器控制研究

摘 要：太陽能作為一種清潔無污染的能源，具有取之不盡、用之不竭的特點，我國太陽能資源十分豐富，但目前利用的還不夠充分，這種現狀的形成有各種各樣的原因，其中關鍵的一個因素是目前多數太陽能電池板都是固定的，而太陽光又存在著光照的間歇性、空間分布不斷變化的特點，這就導致了太陽能電池板不能跟隨太陽運動，不能最大限度的吸收太陽光的能量，使太陽能的轉換效率偏低。

關鍵詞：太陽能；跟蹤器；傳感器；高度角；方位角

0前言

太陽能跟蹤控制器是能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽能電池板能垂直照射的機械動力裝置，能夠顯著提高太陽能光伏器件的發電利用率。現有的太陽能跟蹤技術一般有兩種實現途徑，一種是以光電傳感器來檢測太陽高度角和方位角進行控制的閉環控制，閉環控制的優點是跟蹤靈敏度比較高；缺點是光電傳感器的敏感元件在檢測太陽光的過程中受天氣情況和環境中雜散光線的影響比較大，容易引起誤動作，從而導致跟蹤裝置無法對準太陽，很難保證跟蹤的穩定性和精確性。

另外一種是使用天文學公式，根據當地經緯度和時間計算出太陽高度角和方位角，進而確定太陽運動軌跡的開環控制，天體運行的計算需要運用到大量的浮點、三角、反三角等復雜的運算，要保證計算的精度，普通的單片機需要耗費大量的時間，不能實時的計算。開環控制的優點是太陽運動軌跡不受外界天氣狀況、環境雜散光的干擾，具有較高的可靠性；缺點是在計算太陽角度的過程中因為真太陽日和平太陽日的區別會產生累積誤差，而且因開環控制方式無法進行誤差修正，會造成誤差的不斷積累，從而影響跟蹤精度和準確性。

綜上兩種控制方案，目前使用的太陽能跟蹤方式各有優缺點，而且現有的太陽自動跟蹤系統還不夠完善，不能顯著提高太陽能接收利用率，很難在太陽能發電行業中推廣應用。

本設計的目的是有效的把兩種方案結合起來，軟件算法是根據天體的運行規律來計算太陽的高度角和方位角，控制太陽能跟蹤器的水平角和俯仰角的范圍，傳感器檢測控制是由精密的四象限傳感器檢測電路來實現，在軟件算法計算的水平角和俯仰角移動的范圍內搜索，精確的跟蹤太陽光信號的最強點，提高太陽光能的利用率。這樣既克服天氣等自然因素的影響，又能解決累積誤差的修正問題，同時考慮系統結構優化、降低成本、算法精確等問題，使太陽能跟蹤器跟蹤效果最優。

1 控制系統研究的步驟

（1）做出模擬太陽能電池板自動跟蹤系統模型；

（2）以單片機為控制器，設計太陽能跟蹤器，完成硬件和軟件設計；

（3）關鍵技術解決以光電傳感器為檢測的閉環控制和以日地運行規律為跟蹤軌跡的開環控制，實現兩種方案的融合和優化；

（4）完成模擬調試。

2 控制系統工藝流程

基于單片機的雙軸伺服太陽能跟蹤器控制系統設計主要實現的功能和達到的要求如下：

1）做一個系統實驗模型，主要包括模擬電池板、可二自由度旋轉的雙軸、帶減速裝置的電機、齒輪、軸承、框架等零件，把這零件裝配在一起，可以實現雙軸的運動。

2）設計一個單片機控制器，該控制器的硬件包括單片機最小系統、晝夜傳感器檢測電路、方位檢測電路、帶減速器的電機驅動電路、減速器的限位電路、時鐘電路、鍵盤顯示電路、蜂鳴器電路等。

3）設計該控制器的兩種控制算法，一種是以光電傳感器為檢測元件的開環控制，一種是以當地經緯度和時間為參數來計算太陽運行軌跡的閉環控制。

4）整個控制器可以在每天太陽升起時自動跟蹤太陽運轉，在陰雨天停轉，可以用鍵盤調整經緯度和時間，并在液晶顯示屏上顯示。

5）系統在橫軸方向實現仰俯運動，在縱軸方向實現東西運動，仰俯運動有正反向限位，東西運動有初始位置檢測。

6）系統每天可自動回到初始位置，自動調節每天的角度，也可手動調節系統運動的累積誤差。

7）實現系統模擬調試，逐個電路調試程序，在各個電路功能都實現的前提下，整體調試，實現預定目標。

8）在完成初步功能的基礎上，可在后期優化系統結構，降低系統成本，使控制算法可行且最優。

3 控制方案設計

該方案選擇了STC12C5A60S2作為核心控制芯片，系統外接4x4鍵盤和LCD顯示器，使系統具有良好的人機交互界面，可以方便地通過鍵盤對系統進行信息輸入和調整；通過外部精確的時鐘電路，能夠保證時間的精確性，從而使系統在時間控制模式下的運行穩定、可靠；方位傳感器檢測電路能夠檢測到太陽的方位，為閉環控制提供信息；照度比較電路能根據太陽光強度的變化判斷即時的天氣信息，為電機動作提供依據；電機驅動執行電路采用直流電機調速器，保證電機轉速和力矩能夠滿足任務的要求；限位檢測電路可以判斷支架是否轉到了邊緣位置，防止轉動機構過度旋轉導致機械故障。系統結構框圖如圖2.1所示。

（1）單片機及最小系統

本系統采用STC12系列單片機，該單片機具有運行速度快（普通51系列的8-12倍）、程序存儲器容量大、自帶8路10位AD轉換器、采用51內核，編程方便等優點。其復位電路可選擇上電復位和按鍵電平復位方式。上電復位無需操作，上電后單片機自動復位，是最簡單、最常用的復位方式。時鐘電路由12MHz外部晶振與元片電容組成，也可選擇內部時鐘，但內部時鐘易受溫度的影響，因而本系統選擇外部時鐘電路。

（2）四路方位檢測電路

本電路采用四個光照度傳感器，四個傳感器呈十字形對稱放置，且各傳感器距離中間交點1cm，且傳感器之間用交叉的不透明擋板隔開，從而能通過判斷陰影與非陰影區使檢測電路始終對著太陽。本電路采用Po188作為檢測裝置，該傳感器是一個光電集成傳感器，典型入射波長為λp=520nm，內置雙敏感元接收器，可見光范圍內高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。傳感器和電阻串聯，從中間引出端子到單片機上。單片機進行AD轉換后進行比較，然后根據比較電壓值進行相應的動作。

（3）照度比較電路

單片機每隔兩個小時對該電路的輸出端進行掃描，通過該電路能根據外部環境的光照情況對系統進行相應的操作。當外界光照條件好時，該電路輸出高電平，系統正常工作；當天氣狀況不好有陰雨時，電路輸出低電平，單片機發生外部中斷，系統停止運行。

（4）時鐘電路

該電路采用DS12C887時鐘芯片，該芯片自帶晶體振蕩器及電池，在沒有外部電源的情況下可工作十年，可計算到2100年前的秒、分、時、星期、月、年、七種日歷信息并帶閏年補償。該芯片與單片機連接方便，硬件結構簡單，且帶時間性中斷、周期性中斷、時鐘更新結束中斷三種中斷方式。時間性中斷可產生每秒一次至每日一次的中斷信號。通過時鐘電路可以準確地記錄即時時間，在知道當地經緯度的條件下，能夠計算出當地的日出日落時間。當到達日出時間后，并且照度比較電路輸出為高電平，本系統按照每十分鐘旋轉固定的角度（初次設定為0.2度）進行工作，通過記錄電機旋轉的脈沖數來確定角度。

（5）4*4鍵盤電路

本電路用來輸入當地的時間和經緯度，采用CH451作為外擴芯片，該芯片最多能外擴8*8個按鍵，其與單片機通過四路信號線進行連接，能夠有效的節省單片機I/O口。

（6）直流電機調速器

由于太陽偏轉的速度非常慢，所以本系統要求電機的轉速也要非常慢，因此需要對直流電動機進行調速。通過單片機輸出占空比可調的PWM脈沖具有控制方便，可節省硬件等特點，但是由于本系統的程序量大，輸出的脈沖很難滿足調速的要求，因此需要硬件生成PWM脈沖。本系統的直流電機調速器能夠產生脈沖比為10%—95%的PWM脈沖，并由可變電阻調節。該調速器自帶外部信號輸入端，通過傳感器接口控制正轉、反轉、停轉、限位等多種功能，從而大大減少單片機的外部工作量。

（7）限位開關

由于太陽在一天中的運行軌跡是固定的，太陽落山后跟蹤器應該停止旋轉，采用限位開關能夠使跟蹤器在固定的角度內旋轉，防止過度地旋轉引起機械故障。本系統在東西、南北四個方向上各放2個，分別限定某一個位置。

（8）直流減速電機

本系統要求角度的偏轉非常小，而直流電機轉速非常快，因此需要采用大減速比的減速電機。經實際計算和市場調查，采用減速比為1：505的減速電機。

4小結

實踐表明，采用太陽跟蹤技術可以提高41.34%的能量接收率，因此開發設計一種受自然界天氣影響較小的、且能跟蹤太陽光的控制系統是十分必要的，這也是太陽能企業積極研究且迫切解決的問題之一。采用本文中的太陽能跟蹤器控制技術可著力提升太陽能的能量接收率，使現有的太陽能設備使用效力大大提升。

參考文獻

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[2] 季杰，程洪波，何偉，陸劍平，T.T.CHOW，太陽能光伏光熱一體化系統的實驗研究[J]. 太陽能學報，2005，

[3] 梅開鄉，太陽強光自動跟蹤裝置的設計[J].太陽能，2006，

作者簡介

馬文甲，男，27歲，2004.8--2008.6遼寧工業大學，材料與化學工程學院，化學工程與工藝專業。2010.3--至今，在職研究生學習，遼寧工業大學，電氣工程學院，控制工程專業