自動追光太陽能供電系統

陳沐傈，宋佳音，楊 幟，張 政，侯東君

（東北林業大學，哈爾濱　150000）

1　引言

能源是人類社會得以生存發展的支柱，伴隨經濟規模的不斷擴大，社會對能源的需求也在不斷增加，太陽能作為一種新興的可再生能源已成為國際上大多數國家的戰略選擇。雖然國內外已有較多較為成熟的太陽能自動追蹤技術，但可發現其通過檢測達到最佳方位角高度角后，只能控制單個太陽能電池板轉動到最佳位置達到較高的能源利用率，并且其機械設計較為復雜，穩定性不好，對于區域化提高太陽能利用率是不利的。針對這一現狀，我們設計出了一套基于STC12C5A60S2的自動追蹤系統，通過光電傳感器對光照強度的檢測對比，實現對太陽方位角、高度角的實時檢測，依靠DS1302進行時鐘控制對檢測模型分時段進行以減少不必要的能量損耗，再利用nRF24L01將角度信息無線傳輸到雙軸式太陽能電池板，控制太陽能電池板陣列的多個同步轉動到最佳方位角高度角。

2　太陽自動追光系統整體結構

自動追蹤太陽能供電系統，不僅要滿足光電利用率的提高，還要實現區域化的太陽能電池板同步轉動。為提高太陽能吸收的能量，需要使太陽能電池板實時對太陽光線處于垂直狀態，通過確定太陽的位置（即確定它的方位角和高度角）來達到最佳角度，使太陽能電池板吸收的能量時刻處于最大化。

本系統分兩大模塊，一是檢測模塊，二是執行模塊。檢測模塊是以STC12C5A60S2為核心芯片，利用光敏傳感器的閾值設定首先對晝夜進行判斷，繼而通過脈沖寬度的傳輸，控制雙向舵機MG996的角度探測以此使檢測裝置旋轉到最佳的方位角和高度角。執行模塊通過無線傳輸將檢測裝置所得到的方位角和高度角數據進行傳輸，使太陽能板上的兩個舵機同步達到相應角度，實現了太陽能光電利用率的最大化。

3　檢測裝置——自主測光儀

檢測裝置是用來跟蹤太陽，使水平及豎直光電傳感器檢測到的光強均在所設定的閾值范圍內，假設在一個封閉的六面體中，僅正面敞開，當光線從正面向其空間內照射時，若為斜射則此六面體內壁不可全部照亮，必有臨近光線照進的一面為陰影；若為直射則此六面體內壁均可全部照亮。利用光線直射陰影面積最小化原理來確定太陽所在方位角和高度角。

自主測光儀是檢測裝置的主結構，如圖1。它是一個半封閉的扇形體結構，四分之一的圓弧面為開放式，光線由此照射進去，其底部放置兩個光電傳感器，光線直射扇形體內時，兩個光電傳感器均可檢測到太陽光照射強度在一定閾值內，且二者光強差值幾乎為零，此時便是太陽的方位角。扇形體內有一個轉筒，轉筒底部也放置兩個光電傳感器，其原理和檢測太陽方位角一致，這樣可以確定太陽的高度角。

3.1　傳感器

（1）照度光電傳感器是用來檢測太陽的光線照射強度，以此來判斷白天還是黑夜。當太陽的照射強度低于預先設定的工作照度時，即黑夜，就給單片機停止工作關機信號，舵機不再運轉，自主檢測儀不再檢測，執行裝置也不工作，自主測光儀進行復位，恢復到開口朝東的方向，執行裝置的太陽能電池板陣列始終保持最后確定的方位角和高度角不變；當太陽的照射強度達到預先設定的工作強度時，即白天，單片機控制自主測光儀開始工作，水平和豎直的跟蹤光電傳感器開始檢測光線是否直射，舵機驅動自主測光儀在水平0～360°，豎直0～90°范圍內進行角度確定，執行裝置也開始相應的執行。（2）跟蹤光電傳感器是用來檢測太陽的方位角和高度角，利用最小差值原理來確定。若太陽光線與扇形體的開口平面以及轉筒的開口面不垂直成90°，光電傳感器輸出的光照強度就會出現偏差信號，將二者的光照強度數值送回到單片機進行差值計算，利用差值的大小確定出將要轉動的角度，將此角度轉換為脈沖信號輸出給舵機，控制舵機向二者中數值較小的一方偏轉此角度，繼而再進行差值比較，直到光電傳感器二者的光照強度數值的差值幾乎為零，則可精確地確定太陽的方位角和高度角。

3.2　方位角跟蹤

自主測光儀的扇形體外殼用于確定太陽的方位角。當太陽光線與扇形外殼的底部垂直的方向照射到其上放置的光電傳感器時，即太陽光線與扇形體開口弧面垂直時，兩個光電傳感器的光照強度相同，當太陽光線偏離垂直方向時，無論向哪個方向偏移，兩個光電傳感器所接收到的光照強度都會出現差值，該偏差信號返送給控制單元，使單片機控制檢測裝置開始啟動，啟動檢測裝置調整自主檢測儀的角度，偏差信號通過單片機處理之后轉變為舵機所能接受的脈沖信號，將此脈沖信號傳輸給水平方位角舵機，根據偏差信號的大小決定脈沖信號的寬度，使水平方位角舵機向光照強度數值較小的光電傳感器一側旋轉相應的角度，水平方位角舵機可在0-360°范圍內進行轉動檢測，直到太陽光線與扇形體保持垂直角度，偏差信號也即為零，實現對太陽自東向西的自動追蹤。

3.3　高度角跟蹤

自主測光儀的扇形體內的轉筒用于確定太陽的高度角。當太陽光線與轉筒底部垂直的方向照射到其上放置的光電傳感器時，即太陽光線與轉筒開口面垂直，兩個光電傳感器所接收到的光照強度是相同的，沒有偏差信號的產生，而當光線發生傾斜時，兩個光電傳感器所接收到的光照強度不再相同，就會產生偏差信號，將此偏差信號送給單片機控制單元，單片機對偏差信號進行處理轉化為相應的脈沖信號的寬度，發送給豎直高度角舵機，該舵機可在豎直0～90°范圍內進行轉動檢測，直至太陽光線與轉筒開口面垂直，偏差信號為零時，即可控制自主測光儀在南北方向上跟蹤太陽的高度角。由于裝置本身會需要一定的電能損耗，為了避免自主測光儀頻繁檢測帶來不必要的能量損耗，檢測裝置在時鐘DS1302的控制下，本系統將30分鐘檢測一次。

3.4　工作原理

檢測裝置供電采用5V電壓，STC12C5A60S2芯片對太陽的方位角高度角進行計算和控制，DS1302芯片進行計時。首先外部獨立測光的光電傳感器監測到當前為白天后，控制時鐘DS1302開始計時，系統即刻開始運轉，自主測光儀的水平方位角舵機和豎直高度角舵機自動復位，繼而開始一天的太陽自動追蹤模式。單片機先對扇形外殼底部的兩個確定水平角的光電傳感器進行檢測對比，當二者均達到所設定的閾值且光強度差值小于預先設定的差值時，水平方位角舵機不運轉，此時方位角為最佳角度；當差值超過所設定的一定范圍時，單片機控制水平方位角舵機運轉，對比二者光電傳感器哪一個光照強度更大則向那一方向進行偏轉運動，轉動角度通過二者的差值轉換為脈沖量使自主測光儀能夠精確的檢測出太陽的方位角。接下來是轉筒內的兩個光電傳感器進行檢測對比，得到精確的太陽高度角，其檢測原理和水平光電傳感器一致。該系統設定的是30分鐘運行一次，當單片機通過DS1302的時鐘計時獲取到分鐘為單位的30的整數倍時，整個系統將重新進行一次新的檢測。直到外部獨立測光裝置所檢測到的光照強度沒有達到預先設定的閾值，也就是黑夜，則系統不再進行工作，并使該裝置自動恢復到初始位置即復位。圖1中，1為轉筒，2為扇形外殼，3為豎直高度角舵機，4為軸承，5為單片機控制電路，6為水平方位角舵機，7為高度角光電傳感器，8為遮光板，9為方位角光電傳感器。

圖1　檢測裝置結構圖

4　執行裝置——雙軸太陽能

檢測裝置所得到的方位角和高度角，通過無線傳輸nRF24L01將這兩個角度發送到執行裝置，雙軸太陽能的接收信號模塊將接收到的方位角和高度角同步傳輸給雙軸太陽能的水平方位角舵機和豎直高度角舵機，以此來實現太陽能板的最大光電利用率，整體執行裝置結構如圖2。圖2中，1為太陽能電池板，2為豎直舵機，3為軸承，4為水平舵機，5為驅動控制電路。

圖2　執行裝置結構圖

5　結束語

太陽能電池板自動追光裝置，核心檢測裝置為自主測光儀，基于STC的高精度、高速度處理，依據光敏傳感器檢測出來的光照強度數值，不斷通過PWM脈沖輸出控制舵機在已定角度范圍內進行掃描，直到光敏傳感器數值相同，即可確定光照垂直照射角度。進而利用無線傳輸使自主測光儀的舵機角度信號傳送給太陽能電池板的雙軸控制舵機，是太陽能電池板也達到太陽光照垂直照射的角度。該系統大幅提高了光電轉換率，使太陽能在一天內吸收更多的光照并輸出電能供給用電器使用。

本文設計的太陽能電池板自動追光裝置，通過實驗研究表明，一日之內同一地點自動追蹤的光伏發電裝置的發電量是固定式發電裝置的2.3～3.9倍左右，且光電轉換率提高了35%左右。通過自主測光儀準確、高速的檢測出光照方位角和高度角，檢測裝置簡單合理，易于實現。針對當前我國太陽能資源十分豐富，但其利用效率較低這一現狀，本設計可以使光電轉換效率得到大幅提高，為新能源開辟了新的發展前景。

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