船用太陽能自動跟蹤研究與應用

郭志磊 徐克寶

【摘要】為提高海上太陽能的利用率，達到節約能源、減少海上環境污染的目的，設計了一種基于單片機MSP430的船用太陽能自動跟蹤系統。該技術采用全球定位系統和電子指南針定位相結合的方法，再加以光電檢測輔助，通過單片機控制步進電機帶動機械結構完成對太陽方位的跟蹤。系統可以適應海上環境的變化，在夜間或天氣不利的情況下自動進入待機狀態，保證了系統的可靠性。

【關鍵詞】MPS430;太陽能;自動跟蹤;光電檢測

引言

傳統能源的枯竭以及全球溫室效應的加劇促使人類在尋求新能源的道路上，發現太陽能無疑是一種清潔無污染的可持續利用的新能源，并且儲備量相當大，開發前景可觀，尤其是海上太陽能資源。太陽能資源在海上非常豐富，既可免費使用，又無需運輸，而且對環境無任何污染。采用太陽能自動跟蹤技術，可以適應海上環境變化，更加有效的利用太陽能資源，而且還可以緩解對傳統能源需求的壓力，減少船舶對海上環境的污染。隨著近年來太陽能光伏技術的飛速發展以及逐漸走向成熟，也給太陽能更廣泛的實用帶來了契機、奠定了基礎。

1.自動跟蹤設計

1.1 自動跟蹤原理

對于船用太陽能板跟蹤系統而言，需要對水平方向方位角和垂直方向仰角兩個方向進行跟蹤，故采用雙軸跟蹤系統。由于在海上船舶出現前后傾仰以及左右搖擺的頻率相對比較高，若對太陽方位進行實時跟蹤，必然造成跟蹤調節頻率過高，不但消耗較多電能，同時對跟蹤機構也不利。根據船體前后傾仰和左右搖擺的幅度計算，對太陽方位采用區域內定位跟蹤，完全可以滿足系統需求，并提高了系統穩定性。系統單片機首先讀取GPS模塊時間信息，判斷白天黑夜，若是白天，則采用光電檢測模塊檢測陰晴天，若光照較強，則系統進入自動跟蹤狀態：由單片機根據GPS模塊對某地區經緯度及時間的檢測數據通過內設函數計算出太陽方位，然后根據電子指南針的檢測數據，將太陽能板調整至相應方位角位置，最后結合光電檢測模塊控制步進電機將太陽能板調整到相應仰角位置。若在黑夜或者系統長時間處于微弱或無光條件下，則進入待機狀態。

圖1 光照傳感器結構示意圖

1.2 光照檢測模塊設計

光照傳感器結構示意圖如圖1所示。

光照檢測模塊采用圓形結構，在表面水平放置四個性能完全相同的光敏二極管P1、P2、P3、P4，兩兩對稱，主要用于檢測不同方向太陽光照的強弱從而判斷陰晴天。光敏二極管中間放置遮光板，用于不同方向的遮擋作用，通過調節光敏二極管與遮光板的相對位置，可以擴大監測范圍提高檢測靈敏度。

1.3 自動跟蹤機械結構示意圖

圖2所示為跟蹤機械結構示意圖：

1-輪子 2-固定圓筒 3-水平轉軸 4、8-步進電機 5、9-渦輪蝸桿 6-支撐圓筒 7-三角架 10-太陽能電池板 11-游絲 12-半圓齒輪 13-立柱 14-電池板安裝架

圖2 自動跟蹤機械示意圖

圖3 電機驅動局部電路

跟蹤機構由步進電機和渦輪蝸桿傳動結構組成，渦輪蝸桿具有自鎖功能，由步進電機進行驅動，能更精確的對太陽進行跟蹤。其中步進電機4帶動渦輪蝸桿5轉動，在水平方向跟蹤太陽;仰角跟蹤由步進電機8帶動渦輪蝸桿9在垂直方向跟蹤太陽。

圖4 GPS定位電路

圖5 光照檢測及機械零點輔助電路

圖6 主程序和子程序

2.系統硬件設計

硬件設計主要由單片機MSP430F149、步進電機驅動電路、GPS定位模塊、光照檢測電路及其輔助電路等組成。

2.1 電機驅動電路

主要由單片機、步進電機驅動電路以及輔助電路組成，局部電路如圖3所示。MSP430F149單片機具有超低功耗特性，用于收集并處理各種數據信息，控制步進電機跟蹤太陽。電機驅動芯片采用THB6064，一款高性能兩相混合式步進電機驅動芯片，具有低噪音、震動小、大功率等特性。單片機與驅動芯片之間通過高速光耦6N137進行電平轉換并起到隔離保護作用，撥碼開關控制電機的細分和衰減功能。單片機采用專用復位芯片MAX809，保證了系統的可靠性;串行存儲器24LC02B用于記錄一些配置信息或者運行參數。圖中只給出一路步進電機驅動電路，另一路類似，不再重復。

2.2 GPS定位模塊

主要由GPS 25LP模塊和顯示電路LCD12864組成，如圖4所示。GPS模塊檢測當地的經緯度、時間、高度等信息，并通過單片機用匹配液晶LCD12864進行顯示，LED燈可以檢測GPS模塊是否正常工作。RP1用于調節對液晶對比度。

2.3 光照檢測及機械零點輔助電路

光照檢測電路如圖5所示，OP284是單電源高精度軌到軌放大器，具有低噪、低漂移等特性，能夠很好的實現光電轉換。電信號經過濾波再放大，然后將V0值送入單片機P6口與內設光照度閥值E進行比較，若VO>E則繼續跟蹤定位，否則系統進入待機狀態;另外四個光敏二極管也可以檢驗方位角跟蹤的準確度。HAL13S是微功耗霍爾傳感器，通過兩片芯片分別確定方位角和仰角的機械零點，便于機械零點復位與跟蹤控制。

3.軟件設計

初始化以后，首先讀取GPS模塊時間信息，白天到了且光照較強則讀取經緯度信息，計算出太陽方位，再結合電子指南針信息，調整方位角位置，然后再次根據光電模塊檢測信息繼續調整仰角位置，從而提高系統的可靠性。系統主程序流程圖和子程序圖如圖6所示。

4.結束語

系統通過GPS和電子指南針定位相結合的方法實現了對太陽的自動跟蹤，利用光電檢測提高了系統的準確性和可靠性。系統可以適應天氣變化的影響，在更廣闊的海上區域內利用太陽能，從而大大提高海上船用太陽能的利用率。將太陽能轉換成電能儲存，可以對船用電器進行供電，解決部分能源問題，減少海上污染?？梢苿幼詣痈櫶幚淼姆绞皆诂F場應用中具有廣泛的可移植性，隨著經濟的快速發展，該技術的廣泛應用將會帶來更多效益。

參考文獻

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作者簡介：

徐克寶（1954—），男，山東青島人，教授，現供職于山東科技大學，主要從事測控技術與機電一體化教學與研究。

郭志磊（1989—），男，河南濮陽人，碩士研究生在讀，主要從事測控技術研究。