小型极轴太阳能发电追踪控制器的研制

曾忠利　李松柏　江绍明

[摘要]太阳能电池组件可以固定安装，也可以安装成单轴、双轴等不同的自动跟踪系统。介绍以单片机为核心，根据时钟芯片内的时间，控制步进电机在东西方向单轴自动跟踪的太阳能发电追踪控制器。本系统提高追踪控制精度，从而达到提高太阳能发电效率及降低发电成本的目的，具有广泛的应用潜力。

[关键词]极轴 单片机 时钟芯片 步进电机 跟踪

中图分类号：TP2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2009）0420029－01

一、引言

太阳能作为一种清洁无污染的能源，发展前景非常广阔，而太阳能发电已成为全球发展速度最快的技术，太阳能的应用受到广泛的关注并已取得一定的成就。然而它也存在着间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太阳能电池板数组基本上都是固定的，没有充分利用太阳能资源，发电效率低下。据实验，在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪发电设备要比固定安装发电设备的发电量提高35%，成本下降25%，因此在太阳能利用中，进行跟踪是十分必要的。而跟踪装置的精度明显地影响设备利用太阳能的性能，因此对跟踪式太阳能发电系统的研制是一项很有意义的工作。

二、追踪控制器工作原理

些控制器是以计算太阳运行轨迹的方法来控制步进电机带动电池组件运行，因此系统的安装将对追踪精度造成影响。太阳在一年中随着季节的变换，高度角也在不停的变化，所以追踪器在设计上做了月份修正系统以使追踪器更加精准的对准太阳。为了降低高度角的位置对控制精度的影响，安装时根据当地纬度和当时月份调整好高度后再安装太阳能电池板，并使其在零位状态时受光面朝向正东方向。

系统安装完成并检查无误后，初次按下控制器上的复位键，驱动步进电机转动。当电机转轴底部安装的小磁铁碰上限位开关时，开关闭合，电机停止转动。如果此时太阳能电池板没有与地面垂直，可以再次调整使其达到安装要求。然后按下运行键，单片机将根据时钟芯片内的当前时间，计算理论脉冲数，再驱动电机转动到当前时间的位置。

控制器根据时钟苾片内的时间，通过单片机控制追踪器在东西方向单轴跟踪太阳。我们通过软件调整脉冲频率来控制电机转动速度，使电机每分钟转动一个脉冲的距离时，带动组件所走的位置与模拟太阳运行轨迹基本一致，从而提高跟踪精度。控制器工作时间为早七点到晚七点，早上七点时，单片机驱动步进电机每分钟转动一个脉冲。到晚上七点时，单片机控制步进电机反转回到起始状态，即太阳能电池受光面朝向正东的位置。如此反复，达到全自动跟踪。如果在运行过程中，时间丢失，追踪器转轴底部的限位开关将起到强制保护的作用，从而减小或避免不必要的损失。

三、控制器设计

（一）硬件设计

1.电源电路。由于系统给蓄电池充电电压为12V，而控制器电源电压为5V。所以由系统为控制器供电，就需降压电路将12V降为5V。为降低系统功耗，我们未直接采用普通线性稳压器件，而采用的是高效率的SPX2945集成电路作为电源控制。SPX2945是低功耗的电压调节器，它是无线电话、无线电控制系统和手提电脑等电池供电应用的最佳选择。SPX2945具有很低的静态电流（典型值为100μA）和压差。紧密的初始容限（最大为1％），以及很小的输出温度系数，使SPX2945可用作低功耗的电压基准。[1]

2.单片机电路。P89C52基于80C51内核采用PHILIPS高密度CMOS技术设计制造，包含中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和6个中断源、4层优先级中断嵌套结构、片内时钟振荡电路等。

P89C52单片机含有非易失FLASH、并行可编程的程序内存。在100次擦除和编程之后仍能可靠保存FLASH内存在的内容，单元的设计使擦除和编程结构最优化。可用于多机通信的串行I/O口、I/O扩展或全双工UART除了通过查询停止位对帧错误进行检测和地址自动识别外，串口通信和标准的80C51异步串行通信一样，支持多机通讯。

此外，P89C51采用低功耗静态设计。Idel模式下，CPU内容、片内RAM和所有SFR保持原来的值。任何被使能的中断（此时，程序从中断服务程序处恢复并继续执行）或硬件复位（与上电复位使用相同的方式启动处理器）均可终止Idel模式。由于是静态设计，所以掉电模式下，时钟振荡停止，RAM数据会得以保存，停止芯片内其它功能。CPU唤醒后，从时钟断点处恢复执行程序。[2]

3.时钟电路。我们选用PCF8563RTC芯片为系统提供工作时钟。PCF8563

是PHILIPS公司推出的一款带I2C总线，具有极低功耗的多功能时钟/日历芯片。它有16个8位寄存器，所有16个寄存器设计成可寻址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前两个寄存器用于控制寄存器和状态寄存器，内存地址02H～08H用于时钟计数器（秒～年计数器）。I2C总线接口器件为集电极开路，在与单片机相连时要接上拉电阻。[3]

四、追踪器设计

本系统的追踪器部分以步进电机为驱动，它是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。[4]当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。[5]

五、结束语

经过近一年时间的开发及应用，我公司研制的小型极轴太阳能发电自动跟踪系统产品已经比较成熟，并取得了很好的成效。由于使用单片机及步进电机控制，跟踪器的跟踪精度达到了0.1度，比固定安装太阳能发电系统的发电效率明显提高，并降低了发电成本。该产品已在汶川地震及四川德容工程中得到广泛运用，并且运行情况良好。

*国家高技术研究发展计划（863计划），MW级并网光伏电站系统，高倍MW级聚光型（CPV）并网电站及关键设备研制（2006AA050204）。

参考文献：

[1]Sipex Corporation，400mA Low Dropout Voltage Regulator with Shutdown，2004.

[2]p89c5x单片机使用手册[R].http://www.zlgmcu.com.

[3]Real-tim clock/calendar PCF8563[Z].PHILIPS，1999.

[4]吴红星，电机驱动与控制专用集成电路及应用，中国电力出版社，2006.

[6]王宗培，步进电动机及其控制系统，哈尔滨工业大学出版社，1986.