光伏发电自动向日双轴跟踪系统设计

徐志伟 晁硕 叶响 陈运 戴寅松 马思宇 徐长帅

摘 要：文章设计了一种双轴光伏发电跟踪系统，利用4个光敏传感器采集光照强度，将光照强度转换为数字信号输入单片机，由电机驱动电路控制双轴电机转动，实现太阳能电池板自动对光跟踪。

关键词：光伏发电；太阳追踪；单片机；步进电机

长期以来，我国能源主要依靠矿物燃料，使用时产生大量的温室气体和有害物质，破坏生态环境，并且这些矿物燃料作为不可再生资源，终将枯竭。太阳能作为自然资源，因其清洁环保、储量丰富、可再生的特性，得到很多国家的广泛关注。但是，太阳能是一种非集中式、随时间变化的能源[1]，这影响了太阳能的开发和使用，提高太阳能资源的使用效率成为人們关注的热点。太阳光线与光伏板的角度是影响太阳能发电效率的关键因素，传统的光伏板的方向固定不变，导致了发电效率低[2]。本文设计了一种光伏发电跟踪系统，该系统能自动跟踪光线，提高了发电效率。

1 系统总体设计

图1是系统的总体设计方案，主要模块包括光电转换，模数转换，单片机控制，电机驱动等。具体方案是光线照在4个光敏传感器上，光照强度转换为电压值，输入模数转换电路进行转换，然后电压采样后输入单片机，经处理后通过电机驱动电路控制步进电机的正反转，使太阳板始终与太阳光线垂直[3]。

2 实现方案

2.1 光电转换电路

图2为光敏传感器分布图，本设计一共有上下左右4个光敏传感器，在光照下就会产生电压，当光线集中在上面的光敏传感器时，这时，上边电压U3大于下边电压U4，单片机控制驱动芯片水平电机朝着上方转动。同理，当有较大的光照强度在左侧光敏传感器时，左边电压大于右边电压，方位电机朝着左侧转动。总之光伏板总是朝着光强度高的区域旋转[4]。

2.2 模数转换电路

图3为模数转换电路，模数转换电路包括信号输入部分，模数转换部分、模数电压采样和信号输出部分。

2.3 单片机控制电路

图4为单片机最小系统。选用STC89C51单片机，LED1和LED2是两个指示灯分别代表自动模式和手动模式；TX，RX是指串口通信接口即程序下载接口；KEY1-KEY5是代表5个按键，其中一个是手动和自动模式之间的切换，另外4个是手动模式下，手动控制电机的上下左右4个方向的转动[5]。

2.4 步进电机及其驱动电路

本系统选用28BYJ-48型电机。步进电机输入控制脉冲后即可转动。驱动芯片采用的是ULN2803，ULN2803与步进电机的电路原理图如图5所示。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。

2.5 单片机外围电路

2.5.1 按键电路

图6为按键电路。S1是手动和自动模式之间的切换，默认为自动模式，S2，S3，S4，S5是手动模式下，利用手动按键来控制步进电机的正反转。

2.5.2 指示灯电路

图7为指示灯电路，系统默认为自动模式，接通电源后LED1亮，当按下S1按键时，切换成手动模式，LED2亮。

3 系统软件设计

3.1 主程序模数转换

光电转换的电压值输入到AD模块后，经过PCF8951芯片里的电压采样，最后输出数字信号，再把信息传送给单片机，从而控制步进电机正反转[6]。流程如图8所示。

3.2 驱动电路子程序

本设计共上下左右4个光敏传感器，在光照下就会产生电压，上边电压大于下边电压，或者手动模式下按下向下的按键，水平电机反转，若下边电压大于上边电压，或者手动模式下按下向上的按键，水平电机正转。同理，左边电压大于右边电压，或者手动模式下按下向右的按键，方位电机右转，若右边电压大于左边，或者手动模式下按下向左的按键，方位电机左转。

4 系统实物平台搭建

机械部分由光伏板、旋转轴、步进电机和支架构成。跟踪系统机械结构用螺丝将控制方位的步进电机固定在底座上，然后在步进电机上安装转动轴和固定水平方向步进电机，步进电机的转轴上安装太阳板和光敏传感器等部件。

5 结语

本文设计一个光伏发电自动向日双轴跟踪系统，光线照在4个光敏传感器上，光照强度转换为电压值，输入模数转换电路进行转换，然后电压采样后输入单片机，经处理后通过电机驱动电路控制步进电机的正反转，使太阳板始终与太阳光线垂直，从而提高了发电效率。

[参考文献]

[1]JERIN K T，ANDREW K N.Design and development of an automatic solar tracker[J].Energy Procedia，2017（143）：629-634.

[2]YASSER M，SAFAN S，SHAABAN，et al.Performance evaluation of a multi-degree of freedom hybrid controlled dual axis solar tracking system[J].Solar Energy，2018（170）：576-585.

[3]HASSAN F.Comparative study between two novel sensorless and sensor based dual-axis solar trackers[J].Solar Energy，2016（138）：67-76.

[4]张晓军，杨家强，汪俊杰.复合式太阳能跟踪控制器的设计[J].机电工程，2018（6）：649-652.

[5]张晓春.基于MPPT光伏LED路灯照明自动跟踪系统设计[J].时代农机，2018（2）：134，144.

[6]李树成.太阳能光伏发电自动跟踪系统的原理和应用[J].科技经济导刊，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