曾忠利　李松柏　江紹明

[摘要]太陽能電池組件可以固定安裝，也可以安裝成單軸、雙軸等不同的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。介紹以單片機(jī)為核心，根據(jù)時(shí)鐘芯片內(nèi)的時(shí)間，控制步進(jìn)電機(jī)在東西方向單軸自動(dòng)跟蹤的太陽能發(fā)電追蹤控制器。本系統(tǒng)提高追蹤控制精度，從而達(dá)到提高太陽能發(fā)電效率及降低發(fā)電成本的目的，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

[關(guān)鍵詞]極軸 單片機(jī) 時(shí)鐘芯片 步進(jìn)電機(jī) 跟蹤

中圖分類號(hào)：TP2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671－7597（2009）0420029－01

一、引言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，而太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)，太陽能的應(yīng)用受到廣泛的關(guān)注并已取得一定的成就。然而它也存在著間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的問題，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板數(shù)組基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。據(jù)實(shí)驗(yàn)，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定安裝發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，成本下降25%，因此在太陽能利用中，進(jìn)行跟蹤是十分必要的。而跟蹤裝置的精度明顯地影響設(shè)備利用太陽能的性能，因此對(duì)跟蹤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研制是一項(xiàng)很有意義的工作。

二、追蹤控制器工作原理

些控制器是以計(jì)算太陽運(yùn)行軌跡的方法來控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)電池組件運(yùn)行，因此系統(tǒng)的安裝將對(duì)追蹤精度造成影響。太陽在一年中隨著季節(jié)的變換，高度角也在不停的變化，所以追蹤器在設(shè)計(jì)上做了月份修正系統(tǒng)以使追蹤器更加精準(zhǔn)的對(duì)準(zhǔn)太陽。為了降低高度角的位置對(duì)控制精度的影響，安裝時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)鼐暥群彤?dāng)時(shí)月份調(diào)整好高度后再安裝太陽能電池板，并使其在零位狀態(tài)時(shí)受光面朝向正東方向。

系統(tǒng)安裝完成并檢查無誤后，初次按下控制器上的復(fù)位鍵，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸底部安裝的小磁鐵碰上限位開關(guān)時(shí)，開關(guān)閉合，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。如果此時(shí)太陽能電池板沒有與地面垂直，可以再次調(diào)整使其達(dá)到安裝要求。然后按下運(yùn)行鍵，單片機(jī)將根據(jù)時(shí)鐘芯片內(nèi)的當(dāng)前時(shí)間，計(jì)算理論脈沖數(shù)，再驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到當(dāng)前時(shí)間的位置。

控制器根據(jù)時(shí)鐘苾片內(nèi)的時(shí)間，通過單片機(jī)控制追蹤器在東西方向單軸跟蹤太陽。我們通過軟件調(diào)整脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，使電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)脈沖的距離時(shí)，帶動(dòng)組件所走的位置與模擬太陽運(yùn)行軌跡基本一致，從而提高跟蹤精度?？刂破鞴ぷ鲿r(shí)間為早七點(diǎn)到晚七點(diǎn)，早上七點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)脈沖。到晚上七點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)回到起始狀態(tài)，即太陽能電池受光面朝向正東的位置。如此反復(fù)，達(dá)到全自動(dòng)跟蹤。如果在運(yùn)行過程中，時(shí)間丟失，追蹤器轉(zhuǎn)軸底部的限位開關(guān)將起到強(qiáng)制保護(hù)的作用，從而減小或避免不必要的損失。

三、控制器設(shè)計(jì)

（一）硬件設(shè)計(jì)

1.電源電路。由于系統(tǒng)給蓄電池充電電壓為12V，而控制器電源電壓為5V。所以由系統(tǒng)為控制器供電，就需降壓電路將12V降為5V。為降低系統(tǒng)功耗，我們未直接采用普通線性穩(wěn)壓器件，而采用的是高效率的SPX2945集成電路作為電源控制。SPX2945是低功耗的電壓調(diào)節(jié)器，它是無線電話、無線電控制系統(tǒng)和手提電腦等電池供電應(yīng)用的最佳選擇。SPX2945具有很低的靜態(tài)電流（典型值為100μA）和壓差。緊密的初始容限（最大為1％），以及很小的輸出溫度系數(shù)，使SPX2945可用作低功耗的電壓基準(zhǔn)。[1]

2.單片機(jī)電路。P89C52基于80C51內(nèi)核采用PHILIPS高密度CMOS技術(shù)設(shè)計(jì)制造，包含中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM、32個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和6個(gè)中斷源、4層優(yōu)先級(jí)中斷嵌套結(jié)構(gòu)、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路等。

P89C52單片機(jī)含有非易失FLASH、并行可編程的程序內(nèi)存。在100次擦除和編程之后仍能可靠保存FLASH內(nèi)存在的內(nèi)容，單元的設(shè)計(jì)使擦除和編程結(jié)構(gòu)最優(yōu)化?？捎糜诙鄼C(jī)通信的串行I/O口、I/O擴(kuò)展或全雙工UART除了通過查詢停止位對(duì)幀錯(cuò)誤進(jìn)行檢測(cè)和地址自動(dòng)識(shí)別外，串口通信和標(biāo)準(zhǔn)的80C51異步串行通信一樣，支持多機(jī)通訊。

此外，P89C51采用低功耗靜態(tài)設(shè)計(jì)。Idel模式下，CPU內(nèi)容、片內(nèi)RAM和所有SFR保持原來的值。任何被使能的中斷（此時(shí)，程序從中斷服務(wù)程序處恢復(fù)并繼續(xù)執(zhí)行）或硬件復(fù)位（與上電復(fù)位使用相同的方式啟動(dòng)處理器）均可終止Idel模式。由于是靜態(tài)設(shè)計(jì)，所以掉電模式下，時(shí)鐘振蕩停止，RAM數(shù)據(jù)會(huì)得以保存，停止芯片內(nèi)其它功能。CPU喚醒后，從時(shí)鐘斷點(diǎn)處恢復(fù)執(zhí)行程序。[2]

3.時(shí)鐘電路。我們選用PCF8563RTC芯片為系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘。PCF8563

是PHILIPS公司推出的一款帶I2C總線，具有極低功耗的多功能時(shí)鐘/日歷芯片。它有16個(gè)8位寄存器，所有16個(gè)寄存器設(shè)計(jì)成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前兩個(gè)寄存器用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器，內(nèi)存地址02H～08H用于時(shí)鐘計(jì)數(shù)器（秒～年計(jì)數(shù)器）。I2C總線接口器件為集電極開路，在與單片機(jī)相連時(shí)要接上拉電阻。[3]

四、追蹤器設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的追蹤器部分以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)，它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。[4]當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度。我們可以通過控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。[5]

五、結(jié)束語

經(jīng)過近一年時(shí)間的開發(fā)及應(yīng)用，我公司研制的小型極軸太陽能發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，并取得了很好的成效。由于使用單片機(jī)及步進(jìn)電機(jī)控制，跟蹤器的跟蹤精度達(dá)到了0.1度，比固定安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率明顯提高，并降低了發(fā)電成本。該產(chǎn)品已在汶川地震及四川德容工程中得到廣泛運(yùn)用，并且運(yùn)行情況良好。

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），MW級(jí)并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)，高倍MW級(jí)聚光型（CPV）并網(wǎng)電站及關(guān)鍵設(shè)備研制（2006AA050204）。

參考文獻(xiàn)：

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

[2]p89c5x單片機(jī)使用手冊(cè)[R].http://www.zlgmcu.com.

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

[4]吳紅星，電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制專用集成電路及應(yīng)用，中國(guó)電力出版社，2006.

[6]王宗培，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其控制系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986.