太阳能电板自跟踪系统的设计

杨小聪，张远山，石成成

(山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264000)



太阳能电板自跟踪系统的设计

杨小聪，张远山，石成成

(山东工商学院 信息与电子工程学院，山东 烟台 264000)

为了保证太阳能电板能够与太阳光保持垂直状态，实现较大的光电转换效率，设计了一种太阳能电板的二维跟踪系统。该系统采用视日运动轨迹跟踪和光电检测跟踪两种方式结合的方法，在不同的时间采用不同的跟踪方法，通过单片机STC89C52来控制两个步进电机转动，使太阳能电板与光线垂直。通过实验仿真和数据分析得出，这种方法有效地提高了光电转换效率，且控制方法简单，有利于广泛应用。

太阳能电板；二维跟踪系统； STC89C52；光电转换效率

能源是人类社会生活与经济发展的基础，随着世界人口的增长以及全球经济的不断发展，对能源的消秏也在持续增长，出现能源紧缺及由此引发的各种问题也是其必然。太阳能是最熟悉的新能源中的一种，清洁、无污染且取之不尽、用之不竭，地球上各种生物的生存都离不开太阳能。人类所需要的能量都是直接或者间接地来自于太阳，太阳每秒辐射的能量大约为1.6×1023kW，而到达地球的能量能达到8×1013kW，是自然界储量最多的新能源，世界各国都加大了对太阳能的开发和利用[1-4]。

由于太阳的位置在一天中是随着时间不断变化的，因此固定方式安装的太阳能电池板无法满足时刻与太阳光线保持垂直的要求，对太阳光的利用率较小。如果要更加有效地利用太阳光，必须保证太阳能电池板的受光面积。因此，近年来有很多专家学者通过采用不同的方法对太阳光进行跟踪，以提高太阳能电池的转换效率，如槽式跟踪、光热传感器跟踪等[5-9]，但是跟踪方法单一，对太阳光的利用效果有限，且使用寿命较短。该设计采用视日运动轨迹跟踪和光电检测跟踪两种方法相结合，能够减小累积误差，通过单片机STC89C52来控制两个步进电机转动，根据不同的时间和光照强度选择不同的跟踪方法，并设计一种光电检测电路，对比输出值更加精确。这保证了太阳能电板与光线时刻处于垂直状态，从而提高了太阳能电池的转换效率。

1 控制系统的组成及工作原理

系统设计使用二维自动跟踪方式，主要包括两方面：一方面在阴天或者光照强度不强的情况下采用视日运动轨迹跟踪，即系统利用天文计算公式，通过输入当地的经纬度和时角进行计算得出太阳高度角和方位角，最后计算出步进电机需要转过的角度，从而控制太阳能电池板的位置，进行视日运动轨迹跟踪；另一方面在晴天中午光照较强的情况下，采用硅光电池片作为检测元件，利用输出电压的差值来调整太阳能电池板的位置，进行光电跟踪。太阳能电池板自跟踪控制系统主要由单片机系统STC89C52、时钟系统DS1302、光强检测及A/D采样电路、按键控制及步进电机等组成。控制系统结构如图1所示。下面对系统中几个主要部分进行介绍。

图1 控制系统结构

1)单片机系统STC89C52

单片机采用的是具有低功耗特点的STC89C52，拥有更灵活的8位CPU和可编程可擦除的只读存储器，还具有32位I/O 口线、3个16位定时器/计数器、4个外部中断、一个7向量4级中断结构全双工串行口、看门狗定时器等，支持在0 Hz 静态逻辑操作，两种软件可选择节电模式。与AT系列单片机相比速度较快，内带4 k的EEPROM存储空间，内带数据存储空间更大，价格便宜，可以在线编程，烧写程序方便。系统中对单片机各引脚分配如图2所示。

2)光强检测单元

光强检测采用的是4片一样的硅电池片，将其分别安装在四个象限，从第一象限开始，设其输出电压分别为U1、U2、U2、U4，为了减小误差，将U1和U2相加，再减去U3和U4，得到的电压差值为Uy，y轴上对应的是太阳高度角，当得到的电压差值大于零时说明在y轴正半轴，也就是太阳更偏北，小于零则更偏向南，同理可得出Ux的值，也可以判断出太阳方位角的偏向。最后输出的电压经信号放大以后送到串行A/D芯片TLC1549进行模数转换，再将转换结果送到STC89C52单片机。当太阳光垂直电池板时，两个硅电池片的感光量相等，输出电压也就相同。当太阳光略有偏移时，输出电压就不相等，从而产生电压差值，单片机根据检测到的差值计算出步进电机需要发送的脉冲数，从而调整步进电机正反转的角度，以此来进行太阳能跟踪控制。光强检测放大电路如图3所示，图中方框1构成两路同相加法器，方框2为同相差模放大器，方框3为基本反相差分放大电路，将信号做差放大，再经过A/D转换以后送入单片机控制步进电机转动。

图2 单片机各引脚分配

3)DS1302时钟模块

由于系统需要定时开关机，并且在晴天的11点到14点进行光电检测跟踪，时钟芯片是必不可少的。该系统选用的是由美国DALLAS公司生产的DS1302芯片，可以很方便的与单片机进行连接。DS1302可以对年、月、日、时、分、秒、星期等进行计时，且具有闰年补偿功能，可以采用24小时制或者12小时制的计时方式，工作电压范围是2.5 V到5.5 V，采用双电源保证时钟连续运行的电量供应。采用三线接口与CPU进行同步通信以减少占用单片机的资源，使系统运行效率更高，并且可以使用突发方式，一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据[11-12]。

图3 光强检测放大电路

2 系统软件设计

系统软件设计语言采用的是c语言，在Keil编译仿真环境下进行实现[10]。该系统程序主要达到以下几个方面的功能：

1)DS1302时钟芯片能够准确定时，并且能够对时间进行设置，使系统初始化成功，对该地的太阳高度角和方位角进行准确计算。

2)采集太阳能电池板检测电池片的输出电压，进行A/D转换。

3)根据天气情况，进行视日运动轨迹跟踪和光电跟踪的有效结合和利用。

4)液晶显示器能够准确显示出时间、太阳高度角和方位角等信息，并且随时间的变化，各个数值也会发生变化。

系统的主要工作原理：开机后通过DS1302时钟芯片进行时间设置并保存；在晴天时，先启动视

日运动轨迹跟踪，也就是对该地的太阳高度角和方位角通过公式进行准确计算，得出太阳的高度角和方位角，然后通过单片机发送信号控制电机转动，使太阳能电池板与太阳光线垂直，当时间在11点到14点时，这时光照较强，启动光电检测跟踪，每隔一定时间通过硅光电池检测与太阳光线的偏差，来控制电机转动，使太阳能电板与光线垂直，达到跟踪的目的；在阴天或者多云时，就只进行视日运动轨迹跟踪。主程序流程如图4所示。

3 实验结果及分析

采用Proteus仿真软件对视日运动轨迹跟踪进行验证，模拟电路中采用的是L297和L298步进电机驱动电路，U2和U3驱动左边电机，U4和U5驱动右边电机，设定每隔4分钟计算太阳高度角和方位角的值，然后控制两个步进电机进行转动，其仿真图如图5所示。

图4 系统主程序流程

选择三块一样的太阳能电板，在一个晴天将系统放在室外运行，一块电池板固定在与地面成60度角朝南的地面上，一块采用单轴跟踪运行，一块采用设计的双轴跟踪运行，并将它们都连接在电压采集电路上，在早上七点半到晚上七点这段时间内每半小时进行一次数据采集，三种方式输出的电压对比情况如图6所示。从三种方式对比图可以看出，固定跟踪方式在中午时刻的电压输出值和其他两种方式相差不大，但是在早晚两个时间段的电压输出值较小，单轴跟踪比固定跟踪的效果好，但是从图中可以明显看出双轴跟踪系统的输出电压值在每一时刻都比其他两种方式的高，效果较好。

图5 步进电机仿真

图6 三种方式输出的电压对比

4 结 论

该系统设计是基于单片机STC89C52的，采用视日运动轨迹跟踪和光电跟踪结合的方法，不同时间采用不同的跟踪方法，使太阳能电板能够保持与太阳光线垂直，相比于单一跟踪方法能够减小累积误差。同时设计了一种光电检测电路，检测对比电压输出值，相对精度较高。日出前和日出后使电池板停止工作，对太阳光进行合理有效地利用，提高了太阳能电板的输出功率，也可以提高太阳能电板的使用寿命，具有较高的实际应用价值，在理论研究的基础上具有较高的实用性和推广意义。但是目前该设计只是进行了一些仿真和模拟工作，还需要进行大量实际测试。

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(责任编辑 魏静敏 校对 张 凯)

Design of Automatic Tracking Control Method for Solar Cell

YANG Xiao-cong,ZHANG Yuan-shan,SHI Cheng-cheng

(School of Information and Electronic Engineering,Shandong Technology and Business University,Yantai 264000,Shandong Province)

A dual-axis automatic solar tracking system was designed in this paper.The system could maintain the sunlight perpendicular to the solar panels,which could achieve greater conversion efficiency.The system used the combination of sun-angle-tracking and photoelectric tracking in different time.The rotation of stepper motor was controlled by STC89C52,which made the sunlight perpendicular to the solar panels.The experiments simulation and data analysis showed that this method would improve the photoelectric conversion efficiency and the method was easy to carry out,so that it was benefit to be used widely.

solar panels;dual-axis automatic tracking system;STC89C52;photoelectric conversion efficiency

2016-11-24

杨小聪(1985-)，女，山东威海人，硕士，实验员。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.018

TK51

A

1673-1603(2017)02-0183-05