太陽能跟蹤系統的研究

趙小圣　言家權　米仁騰　章文鶴　姚毅

【摘 要】太陽能是一種理想的可再生能源，為了提高太陽能電池光電轉換效率，設計了一種基于光敏電阻檢測的智能跟光系統。本課題主要研究的是該系統以STC12單片機為核心的太陽光線自動跟蹤設備，利用光敏電阻以及步進電機驅動雙軸跟蹤系統，使太陽能電池板始終垂直于太陽照射的光線，從而大大的提高太陽能的利用率。

【關鍵詞】太陽能跟蹤系統；單片機；光敏電阻

Research on Solar Tracking System

ZHAO Xiao-sheng YANG Jia-quan MI Ren-teng ZHANG Wen-he YAO YI

（Hunan University of Humanities and science and technology of electronic information engineering， Loudi Hunan 417000， China）

【Abstract】Solar energy is an ideal renewable energy. In order to improve the photoelectric conversion efficiency of the solar cell ， a kind of intelligent light system based on photoelectric detection has been designed. This paper mainly discusses the system STC12 microcontroller as the core of the sun's rays automatic tracking equipment ， the use of light-sensitive resistors and stepper motor drive dual-axis tracking system ， and the solar panels is always perpendicular to the suns rays ， thus greatly improving the solar utilization.

【Key words】Solar tracking system； MCU； Photosensitive resistance

0 引言

太陽能是一種可以不斷持續利用的清潔能源，同時也是一種特別理想的可再生能源。由于太陽能能量密度低，就目前的技術而言，對太陽能的接收連續性比較差，并且隨著季節、晝夜、氣候條件的變化而有比較大的變化。如今，太陽能的應用主要集中在太陽暖房和太陽能熱水器等采光時間不連續、能量密度要求不高和用戶分散的一些領域，這就使得這些設備無法提高太陽能的利用效率。大力發展太陽能光伏發電是節約礦石能源、降低二氧化碳排放、確保能源安全和實現可持續發展的有效途徑之一，太陽能作為一種綠色可再生能源，對其充分利用是非常重要的，太陽能自動跟蹤系統的研究是當前研究的一個熱點[1-4]。目前，制約太陽能光伏發電的主要因素是光電轉換成本高、發電量波動大以及不適合于遠距離輸送[5-6]。采用自動跟蹤系統可延長太陽能發電時間，增加發電量，一定程度上降低發電量的波動，降低太陽能發電成本。由于太陽在天空中的位置是不斷變化的，影響太陽能的吸收效率，為此本次研究了一種太陽能自動跟蹤系統來跟蹤太陽光線，用來提高太陽能利用率。

1 系統設計原理

1.1 光敏檢測的原理

光敏采集電路接口原理圖如圖1所示。

圖1 光敏采集電路接口原理圖

當光敏電阻被光照射，光敏電阻的阻值就會變小，采集點電壓就會升高，從而達到檢測試否有光照的作用。

單片機時刻掃描采集點的電壓（分四個方向：東、南、西、北），并且進行比較，得出光照的最強點，從而控制舵機工作。

1.2 舵機控制原理

1.2.1 PWM信號的定義

PWM 信號為脈寬調制信號，其特點在于它的上升沿與下降沿之間存在一定的寬度，本次設計采用的HG14-M舵機采用傳統的PWM協議，具有產業化，成本低，旋轉角度大易控制等優點，不用隨時接收指令，減少CPU占有時間，可以位置自鎖，位置跟蹤。

1.2.2 PWM信號控制精度制定

本設計采用的是8 位的微控制器STC12A60S2，其數據分辨率為28=256，對HG14-M而言，將其劃分為250 份最為合適，且PWM上升沿最少為0.5ms，最多2.5ms，那么0.5mS—2.5Ms 的寬度為2mS= 2000uS。則PWM 的控制精度為2000 / 250=8us，故以8uS 為單位遞增控制舵機轉動與定位。HG14-M舵機可以轉動的角度為185 度，則其控制的精度為185 / 250=0.74 度。

1.3 時間采集原理

圖2 時鐘驅動電路

本設計采用的時鐘驅動電路如圖2所示，采用DS1302芯片來讓系統獲取精準時間，它可以對年、月、日、周、時、分、秒進行計時、且具有閏年補償等多種功能，功耗低且實時性高。DS1302與MCU進行數據交換時，首先由MCU向DS1302發送命令字節，字節最高位（bit7）必須為0，寫1時則無法對芯片進行讀寫；其次bit6為0時指定時鐘數據，為1時指定RAM數據；bit5～1指定輸入或輸出的特定寄存器；最低位bit0為邏輯0，指定寫操作，為邏輯1時則指定讀操作。

1.4 液晶顯示原理

本設計顯示部分采用LCD1602進行數據的實時顯示，并通過按鍵來顯示不同的數據。LCD1602專門用于顯示字符的點陣型液晶，此次采用的液晶由5*11的點陣字符位組成，每一個點陣字符位都可以顯示一個字符，字符位每一行存在間隔，并且在相鄰點陣字符位之間也存在間隔。MCU通過發出指令來控制LCD工作。LCD通過數據總線DB0～7和E（使能端）、R/W（讀寫端）、R/S（寄存器選擇位）與MCU連接，兩者通過一定的時序相互傳輸數據。主控芯片發出的指令和數據，存放在液晶的字符存儲區中，進行一系列的查找之后最終顯示出字符數據。并且MCU通過發出不同的指令，可以使得液晶實現字符的閃爍，移位等功能。

2 系統設計

2.1 系統硬件設計

系統硬件結構圖如圖3所示：

圖3 系統硬件結構框圖

由舵機控制的太陽能跟蹤系統的設計主要分為五個模塊：主要有主控電路、光電檢測模塊，時鐘模塊，LCD1602顯示模塊，按鍵選擇模塊，每個模塊的銜接和驅動都由程序控制。它的主要原理是：它的主要原理是把太陽能跟蹤傳感模塊采集的信號通過AD轉換電路輸入到單片機進行處理比較。經過單片機的判斷數值比較，單片機隨之輸出相應的PWM波控制舵機轉角。直到太陽跟蹤傳感器接收到的信號相等為停止，也就是指向太陽的時候停止。

2.2 系統軟件設計

整個系統程序設計主要包括光電檢測，舵機控制，時間采集、數據顯示4部分。其工作流程圖如圖4所示；系統軟件設計如下：系統啟動后，首先進行各個模塊的初始化，之后為循環過程：通過DS1302獲取精確的時間，沒到達工作時間系統不開啟跟蹤，僅顯示基本時間數據。達到工作時間之后，自動開啟光電檢測裝置，開始跟蹤， 判斷太陽能電池板是否垂直于太陽光。

3 總結

本系統采用手電筒作為光源，通過改變手電筒的亮度來模擬太陽光照的強弱，通過改變手電筒的位置來模擬太陽的轉動，把光電傳感器采集到的信號輸入給STC12昨相應的處理來控制舵機的轉動，實驗結果表明，舵機能夠依據四個方向的光照強弱做正反轉運動，當四個方向的光強差值較大時，舵機轉動的角度也較大；當差值小時，舵機轉動角度也小，初步認定系統能夠準確跟蹤太陽。跟蹤系統太陽能的利用率和電量損耗是限制太陽能跟蹤系統廣泛應用的又一問題。系統在夜晚時不啟動跟蹤，利于減小電源損耗，因此該系統具有較好的實用價值。

圖4 太陽能跟蹤系統工作流程圖

【參考文獻】

[1]王林軍，邵磊，門靜，等.太陽能自動跟蹤系統的研究現狀及展望[J].中國農機化學報，2014，1（1）：283-286.

[2]王書營.基于平面法向控制的太陽能自動跟蹤系統研究[J].南京工業職業技術學院學報，2013，13（04）：8-11.

[3]黃彥智，何寧，趙佳慶.基于陣列光電傳感陽光跟蹤系統設計與實現[J].儀表技術與傳感器，2015（12）：72-74.

[4]許啟明，馮俊偉，宮明.太陽能利用跟蹤技術的研究進展[J].安徽農業科學，2011，39（10）：6294-6297.

[5]劉培良.太陽能光伏發電效率的影響因素分析[J].科技創新導報，2013（27）：64.

[6]尚華，王惠榮.太陽能光伏發電效率的影響因素[J].寧夏電力，2010（5）：48-50.

[責任編輯：湯靜]