光伏發電自動向日雙軸跟蹤系統設計

徐志偉 晁碩 葉響 陳運 戴寅松 馬思宇 徐長帥

摘 要：文章設計了一種雙軸光伏發電跟蹤系統，利用4個光敏傳感器采集光照強度，將光照強度轉換為數字信號輸入單片機，由電機驅動電路控制雙軸電機轉動，實現太陽能電池板自動對光跟蹤。

關鍵詞：光伏發電；太陽追蹤；單片機；步進電機

長期以來，我國能源主要依靠礦物燃料，使用時產生大量的溫室氣體和有害物質，破壞生態環境，并且這些礦物燃料作為不可再生資源，終將枯竭。太陽能作為自然資源，因其清潔環保、儲量豐富、可再生的特性，得到很多國家的廣泛關注。但是，太陽能是一種非集中式、隨時間變化的能源[1]，這影響了太陽能的開發和使用，提高太陽能資源的使用效率成為人們關注的熱點。太陽光線與光伏板的角度是影響太陽能發電效率的關鍵因素，傳統的光伏板的方向固定不變，導致了發電效率低[2]。本文設計了一種光伏發電跟蹤系統，該系統能自動跟蹤光線，提高了發電效率。

1 系統總體設計

圖1是系統的總體設計方案，主要模塊包括光電轉換，模數轉換，單片機控制，電機驅動等。具體方案是光線照在4個光敏傳感器上，光照強度轉換為電壓值，輸入模數轉換電路進行轉換，然后電壓采樣后輸入單片機，經處理后通過電機驅動電路控制步進電機的正反轉，使太陽板始終與太陽光線垂直[3]。

2 實現方案

2.1 光電轉換電路

圖2為光敏傳感器分布圖，本設計一共有上下左右4個光敏傳感器，在光照下就會產生電壓，當光線集中在上面的光敏傳感器時，這時，上邊電壓U3大于下邊電壓U4，單片機控制驅動芯片水平電機朝著上方轉動。同理，當有較大的光照強度在左側光敏傳感器時，左邊電壓大于右邊電壓，方位電機朝著左側轉動。總之光伏板總是朝著光強度高的區域旋轉[4]。

2.2 模數轉換電路

圖3為模數轉換電路，模數轉換電路包括信號輸入部分，模數轉換部分、模數電壓采樣和信號輸出部分。

2.3 單片機控制電路

圖4為單片機最小系統。選用STC89C51單片機，LED1和LED2是兩個指示燈分別代表自動模式和手動模式；TX，RX是指串口通信接口即程序下載接口；KEY1-KEY5是代表5個按鍵，其中一個是手動和自動模式之間的切換，另外4個是手動模式下，手動控制電機的上下左右4個方向的轉動[5]。

2.4 步進電機及其驅動電路

本系統選用28BYJ-48型電機。步進電機輸入控制脈沖后即可轉動。驅動芯片采用的是ULN2803，ULN2803與步進電機的電路原理圖如圖5所示。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導通工作。

2.5 單片機外圍電路

2.5.1 按鍵電路

圖6為按鍵電路。S1是手動和自動模式之間的切換，默認為自動模式，S2，S3，S4，S5是手動模式下，利用手動按鍵來控制步進電機的正反轉。

2.5.2 指示燈電路

圖7為指示燈電路，系統默認為自動模式，接通電源后LED1亮，當按下S1按鍵時，切換成手動模式，LED2亮。

3 系統軟件設計

3.1 主程序模數轉換

光電轉換的電壓值輸入到AD模塊后，經過PCF8951芯片里的電壓采樣，最后輸出數字信號，再把信息傳送給單片機，從而控制步進電機正反轉[6]。流程如圖8所示。

3.2 驅動電路子程序

本設計共上下左右4個光敏傳感器，在光照下就會產生電壓，上邊電壓大于下邊電壓，或者手動模式下按下向下的按鍵，水平電機反轉，若下邊電壓大于上邊電壓，或者手動模式下按下向上的按鍵，水平電機正轉。同理，左邊電壓大于右邊電壓，或者手動模式下按下向右的按鍵，方位電機右轉，若右邊電壓大于左邊，或者手動模式下按下向左的按鍵，方位電機左轉。

4 系統實物平臺搭建

機械部分由光伏板、旋轉軸、步進電機和支架構成。跟蹤系統機械結構用螺絲將控制方位的步進電機固定在底座上，然后在步進電機上安裝轉動軸和固定水平方向步進電機，步進電機的轉軸上安裝太陽板和光敏傳感器等部件。

5 結語

本文設計一個光伏發電自動向日雙軸跟蹤系統，光線照在4個光敏傳感器上，光照強度轉換為電壓值，輸入模數轉換電路進行轉換，然后電壓采樣后輸入單片機，經處理后通過電機驅動電路控制步進電機的正反轉，使太陽板始終與太陽光線垂直，從而提高了發電效率。

[參考文獻]

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[4]張曉軍，楊家強，汪俊杰.復合式太陽能跟蹤控制器的設計[J].機電工程，2018（6）：649-652.

[5]張曉春.基于MPPT光伏LED路燈照明自動跟蹤系統設計[J].時代農機，2018（2）：134，144.

[6]李樹成.太陽能光伏發電自動跟蹤系統的原理和應用[J].科技經濟導刊，2018（2）：31-32.

Abstract：This paper designs a two-axis photovoltaic power generation tracking system， which uses four photosensitive sensors to collect the light intensity， converts the light intensity into a digital signal input to the single chip microcomputer， and controls the rotation of the two-axis motor by the motor drive circuit to realize the automatic light-on of the solar panel track.

Key words：photovoltaic power generation； solar tracking； single chip microcomputer； stepper motor