向日跟蹤控制系統設計

王彬

摘 要：文中介紹了向日跟蹤控制系統的工作原理，設計了光強信號采集與轉換、直流電動機控制、水平軸和垂直軸的轉角控制及串行通信等電路，在設計控制系統硬件電路的基礎上，對跟蹤系統軟件進行了設計，實現了單體系統對太陽能向日跟蹤的控制，該向日跟蹤控制系統的不具備多臺控制的網絡控制功能以及遠程互聯網控制功能。

關鍵詞：向日跟蹤 自動控制 微處理器

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

引言：

節約能源是我國基本國策，為緩解能源緊張，滿足日益增長的電力負荷需求，必須充分利用可再生能源，大力發展太陽能光伏發電技術。要降低光伏發電成本，除了提高光伏電池裝置的能量轉換率，還可以設計向日跟蹤系統，讓光伏陣列跟隨太陽的運動而運動，接收最大輻射能量，可以有效提高發電量20%-40%，這也是降低光伏發電成本的有效途徑。因此，研究向日自動跟蹤系統具有重要意義。

1 控制系統基本原理

要實現對太陽自動跟蹤，就必須對地面上的太陽能電池板的采光面進行調整，在跟蹤系統工作時，該系統主要以單片機作為系統的控制核心，利用光電傳感器信號采集與轉換電路判斷出太陽光線的入射角度，由處理器發出相應的控制指令控制對應的俯仰、水平雙軸傳動機構，調整電池板的角度，使其垂直于太陽光線，完成對太陽的跟蹤動作[1]，原理框圖如圖1 所示。

如圖1所示，利用光電傳感器采集光信號，把變化的光線強度信號轉換為電路中的電信號，轉換后的電信號被送入控制系統的單片機，由單片機根據信號的變化控制高度角變換和方位角變換的傳動機構，從而控制太陽能電池板的空間姿態，實現自動跟蹤。

2 系統的硬件設計

（1）信號的采集與轉換電路

向日跟蹤系統的信號采集實際上是光強的信號采集，設計一個簡單的電路可實現系統對信號采集的需要，該信號采集電路包括電源、光敏二級管、滑動變阻器和一個電壓比較器。轉換電路可根據跟蹤精度要求選擇ADC，一個 8 位的 ADC 的精度小于0.02V，光線強度的變化引起電路電壓值變化要遠遠大于 0.02V，因此8位的ADC就能實現本設計要求（如果跟蹤精度不夠，可以選用更高分辨率的 ADC）。針對本設計的跟蹤精度、經濟需要，實際設計中采用 ADC0808 芯片作為控制電路中的ADC [2]，轉換電路如圖2所示。

（2）直流電機控制電路

因為直流電機具有良好的線性特性、優異的控制性能等特點，所以大多數變速運動控制和閉環位置伺服控制系統都選擇直流電動機提供動力源，本文機械部分的機械運動也由直流電動機提供動力源，采用 L293D控制芯片對電動機控制，控制直流電機速度和轉向，以便控制向日電池板的姿態，其水平運動和垂直運動由L293D的兩路輸出分別控制，電路如圖 3所示[3]。

（3）轉角的控制電路

跟蹤時，需要控制水平軸和垂直軸轉角，因此需要兩個傳感器來測量水平軸和垂直軸的轉角，利用可調電阻器便可實現對軸轉動時轉角的測量，把可調變阻器的調整端與軸接在一起，轉動軸使可調電阻的調整旋鈕產生轉動，從而使電阻器阻值隨軸的轉動而變化，測量機械運動的轉角，通過采集到的數據和角度進行關系換算，然后調整電機的控制脈沖便可以對機械運動的轉角進行控制[3]，轉角控制電路如圖4所示。

（4）串行通信電路

在跟蹤太陽過程中，單片機對太陽的高度角和太陽方位角跟蹤時，需要建立單片機和計算機的通信，即跟蹤過程的控制信號及傳感器信號發送給計算機，然后計算機再進行處理和保存。在自動跟蹤過程中，可根據 RS232標準，建立單片機和PC 機通信，采集的傳感器感光板所需調整信號經 RS-232 送入 PC 機，單片機調整跟蹤太陽的高度角、方位角參數送入 PC 機，然后由 PC人機交互程序存入數據庫記錄。

3 控制系統的軟件設計

由于太陽光的時變性以及外界的擾動導致采集的數字量波動比較大，因此可以采用軟件編程的方法，使其在一個小的范圍內保持穩定。具體軟件流程圖如圖5所示[4]。

4 小結

向日跟蹤控制系統性能的好壞直接影響太陽能利用效率的高低，本文設計的太陽能向日跟蹤控制系統是單獨的系統，沒有多臺網絡控制功能和遠程互聯網控制功能，對于網絡控制及遠程互聯網控制的太陽能向日跟蹤系統還有待進一步研究。

參考文獻

[1] 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

[2] 趙麗偉.太陽自動追蹤系統研究[D].吉林：吉林大學，2007：6-10.

[3] 張河新，郎龍軍，李建朝.太陽能自動跟蹤傳感器的研究.新能源產業[J].2010，（3）：27-29

[4] 薛建國.基于單片機的太陽能電池自動跟蹤系統的設計[J].長春師范學院學報，2005，24（3）：26-30