太阳能电池板自动跟踪电路设计

李 珺，宋文龙，王禹淇

(东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

能源对于人类在社会中的生存和发展是至关重要的。随着人类步入21世纪，科学技术和经济发展的脚步逐步加快，各国对能源的消耗也是与日俱增，对能源的开发利用也是越来越猛烈。但是能源问题不仅表现在资源匮乏上面，还表现在传统能源在使用的过程中出现对环境的严重污染上面。太阳能作为一种新兴的绿色能源，正得到迅速的推广应用［1］。为了缓解化石燃料的消耗殆尽，光伏发电被列为21新世纪重要的研究项目来应对资源以及环境问题［2－5］。1997年美国和欧洲相继宣布“百万屋顶光伏计划”［6］，我国太阳电池的生产能力从1984年以前的年产200千瓦跃到1988年的4.5兆瓦［7］，截止2008年底，我国太阳能光伏电池年产量已达200万千瓦，占全球市场的30%以上［8］。如果发电系统与太阳光线角度存在25°偏差，就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列的输出功率下降10%左右［9］。太阳光线垂直入射电池阵列平面时发电量最大，实时跟踪太阳的方位，充分利用太阳能，实现光线垂直入射，是提高光伏电池发电效率最有效途径［10－12］。为实现更加节能的道路照明效果，本文以自动跟踪的七点法定位原理作为基础，设计一种控制电路实现智能路灯可以自动跟踪太阳，保证了太阳对电池板的照射角度，最大限度的提高太阳能的利用率，达到节约能源的目的。

1 太阳能自动跟踪系统的硬件设计

本硬件系统要实现的功能有光敏二极管采集的模拟量信号，单片机对电压差动信号的处理比较，以及单片机控制步进电机朝太阳的位置转动［13］。

选用光敏二极管作为太阳光跟踪系统的光电转换元件，用于七点法太阳定位器。3D俯视图如图1。

图1 七点法定位装置3D俯视图

由于高度角的变化缘于季节变化，所以变化不大［14］。太阳能跟踪系统主要跟踪的是方向角的变化。假设太阳光线垂直照射到定位器上面时，各光敏二极管接受的光伏量相同，那么通过I/V转换调理电路后，输出电压差值应为零。当太阳光与太阳光电池板角度过大时由于圆筒筒壁的格挡，D5、D6接收不到太阳光辐射，而输出电压差值不等于零，经过放大电路放大信号和A/D转换器转为数字信号送到单片机控制器中，控制器根据差值控制步进电机快速转换方向跟踪太阳方位角。当D5、D6接收到太阳光时，开始精确跟踪。当太阳光与定位器基本垂直时，由于D1、D2所受的光辐射量相同，因此输出电压差值等于零。检测不到太阳的方位角变化。由于圆筒的遮蔽，太阳光斜着照射使D5、D6接收的光辐射量不同，输出电压差值输出电压差值不等于零，经过放大电路放大信号然后送到带有A/D转换器的单片机控制器中转换为数字信号，控制器根据数字信号的差值控制步进电机转换方向垂直于太阳光线。垂直时输出电压差值等于零控制器控制步进电机停止转动，达到跟踪太阳的目的。

1.1 单片机的选择

太阳自动跟踪系统的控制器的核心是单片机，控制器不仅接收采集的光电信号和时钟信号，还要驱动步进电机跟踪太阳。本文选用宏晶科技公司推出的STC12C5410AD型号单片机。

1.2 单片机与各部分的管脚连接

当阳光照到光敏二极管 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7的时候，光敏二极管产生光电流，光电流通过反相放大器产生电压信号。D1、D2、D3和 D4、D5、D6的电压信号分别通过差分放大电路得到电压信号差值，再把差值送到单片机的A/D接口，控制器根据差值的大小正负控制电机的运转。而D7的电压信号直接送到单片机的A/D接口。

1.3 时钟电路以及复位电路

图2 D1和D2差分电路结构图

图3 D7差分电路结构图

本控制系统设计结合了光电式跟踪与时钟式跟踪。以哈尔滨为例，由于哈尔滨冬夏两季的光照时间差别较大，因此把跟踪装置的时间设置在8时～18点之间。采用时钟电路判断跟踪的时间段。由于四年为一个闰年，需要具有闰年及月份自动修正功能的时钟芯片，此处采用DS1302芯片。D1、D2、D3和D4、D5、D6采用相同差分电路，故图2、图3给出D1和D2、D7两部分时钟电路。每天早8点跟踪装置都要启动跟踪，单片机要重新上电工作，因此复位工作能够保证控制器各部件的初始启动。单片机没有复位的功能，所以复位工作需要单片机和外部电路联合才能实现。当复位信号是高电平时，机器每经过一个周期复位电路需要采样一次，如果复位端持续高电平两周期以上的时候，则单片机复位。通电瞬间，电路充电，然后复位段产生正脉冲令单片机复位。

2 程序设计

本文以哈尔滨市为例，由于哈尔滨地处于我国东北地区，冬夏两个季节光照时间差别较大。因此，综合一年四季光照时间，设定光电式跟踪时间为8时～16时。其余时间由于光照较弱，如采用自动跟踪系统，则采集的太阳能不划算，因此采光板固定采集太阳能节省了能源。当程序启动后。跟踪装置处在最开始的位置即太阳东升的位置。单从时间上看，当时间在8时之前，系统默认固定采光。8时以后采用光电式跟踪，当时间到达16时，跟踪装置停止跟踪，固定采光。21时以后天完全黑了，跟踪装置开始复位，准备第二天的采光。当然，如果是阴雨天，光照量不足，在8时到16时之间系统会优先判断光辐射量的大小，当光照度大于8 000 Lux时［9］，采用光电式跟踪;当光照度小于8 000 Lux时采用时序自动跟踪。

2.1 光电式跟踪设计

作为最主要的跟踪方式－光电式跟踪方式，依靠七点法定位器硬件实现。系统工作的时候，当时间在8时到16时之间，如果光照度大于8 000 Lux，则启用光电式跟踪。设定位器的3个差值信号△u12、△u34、△u56，与参考电压 Uref比较。首先方位角的粗跟踪信号△u12和参考电压比较，若△u12＞Uref，说明此时光线与采光板的角度偏大，于是步进电机快速调整位置，再次比较直到△u12小于参考电压。再将△u34与参考电压比较，进行跟踪装置的微调整。最后是高度角的调整。

2.2 时序式跟踪设计

当天气为阴雨天时，这时候光照量不足，则改为时序式跟踪作为光电式跟踪的辅助跟踪方式。由于每天地球自转一周，假设时钟系统规定跟踪器每N分钟次转动的角度是X值，那么一天跟踪器应转动的次数NUMr及角度X如式(1)、式(2)。

3 结论

(1)本文采用七点法定位器完成光照信号的采集。选择了光敏二极管作为光敏元件，设计了七点法定位器的结构，达到应用路灯所需跟踪范围，且设计结构简单，便于未来的推广应用。

(2)在STC12C5410AD单片机的基础上设计系统控制器。集成了数模转换器，使运算效率更为准确和高效，同时抗干扰能力增强，单片机的指令代码和传统51完全兼容，相比89c51单片机速度提高约10倍。

(3)根据光照条件选择跟踪方式。在白天光照良好的情况下采用光电跟踪。凌晨或傍晚，采用时序跟踪，夜晚复位。如果阴雨天气光照不理想，采用时序跟踪。在其他条件相同的情况下使用该跟踪系统的路灯比未使用时发电效率提高35%。

本文设计的太阳能跟踪控制电路，具有成本低、效率高、实用性强等特点，能够实现白天所收集的太阳光发电量为夜晚照明所用，极大程度节省夜晚城市光照所消耗的电能，达到绿色环保效果。此外不同地区光照时间不同，可以通过调整阈值以及时间点，充分的吸收太阳能，到21世纪末，太阳能将核能取而代之占据第一位，对太阳能的开发以及利用具有乐观的应用前景［15］。

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