廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳國(guó)慶 韋 抒 李 捷

太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳國(guó)慶 韋 抒 李 捷

太陽(yáng)能作為一種新型能源具有儲(chǔ)量無(wú)限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但是太陽(yáng)能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)一種太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，其能根據(jù)太陽(yáng)相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)律，控制太陽(yáng)能板自動(dòng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)方位，保持太陽(yáng)能電池板始終與太陽(yáng)入射光線(xiàn)垂直，從而保持較高的太陽(yáng)能利用率。本文重點(diǎn)敘述太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì)與實(shí)踐的內(nèi)容。

太陽(yáng)能；自動(dòng)跟蹤；GPS；單片機(jī)

1.引言

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對(duì)環(huán)境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟?lèi)的能源結(jié)構(gòu)，維持長(zhǎng)遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。太陽(yáng)能和風(fēng)能以其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)而成為人們重視的焦點(diǎn)。近幾年國(guó)際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，2007年全球太陽(yáng)能新裝容量達(dá)2826MWp。2008年全球光伏市場(chǎng)增至5.5GW，全球太陽(yáng)能安裝總量已累計(jì)達(dá)15GW。日本政府2008年11月發(fā)布了“太陽(yáng)能發(fā)電普及行動(dòng)計(jì)劃”，確定太陽(yáng)能發(fā)電量到2030年的發(fā)展目標(biāo)是要達(dá)到2005年的40倍。2008年9月16日，美國(guó)參議院通過(guò)了一攬子減稅計(jì)劃，其中將光伏行業(yè)的減稅政策（ITC）續(xù)延2-6年。太陽(yáng)能光伏發(fā)電和風(fēng)電在我國(guó)是一個(gè)新興事物，光伏產(chǎn)業(yè)讓國(guó)內(nèi)企業(yè)看到了機(jī)遇，而且該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大量的人才為之服務(wù)，這吸引了廣大高等院校的目光，我院在這方面也應(yīng)該抓住機(jī)遇，進(jìn)行相應(yīng)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)，為開(kāi)設(shè)相關(guān)的專(zhuān)業(yè)做準(zhǔn)備，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。地球上，無(wú)論何處都有太陽(yáng)能，可以就地開(kāi)發(fā)利用，不存在運(yùn)輸問(wèn)題。同時(shí)，太陽(yáng)能也是一種潔凈的能源，在開(kāi)發(fā)和利用時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒(méi)有噪音，更不會(huì)影響生態(tài)平衡。但是，太陽(yáng)能的利用有它的缺點(diǎn)：一是能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿(mǎn)足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。二是受大氣影響較大，給使用帶來(lái)不少困難。

本文設(shè)計(jì)一種基于GPS定位及太陽(yáng)方位計(jì)算的的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置，該裝置能自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，保證太陽(yáng)能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽(yáng)光線(xiàn)垂直，提高設(shè)備的能量利用率。與此同時(shí)加以風(fēng)力發(fā)電機(jī)輔助發(fā)電給蓄電池充電，進(jìn)而在夜間給路燈提供電源。

2.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械構(gòu)成及工作原理

太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)由太陽(yáng)能電池板、減速電機(jī)、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、基座等構(gòu)成?；饕魏凸潭ㄌ?yáng)能自動(dòng)跟蹤器。當(dāng)太陽(yáng)照射角度發(fā)生變化時(shí)，垂直方向（Y）和水平方向(X)的減速電機(jī)就會(huì)相應(yīng)的通電轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)齒輪機(jī)構(gòu)傳動(dòng)使太陽(yáng)能電池板始終與太陽(yáng)光線(xiàn)垂直，即獲取到最大的太陽(yáng)光照能量。整個(gè)裝置由機(jī)械部分和控制部分組成。機(jī)械部分主要包括底座、主軸、齒輪和齒圈等如圖1所示。主要實(shí)現(xiàn)根據(jù)控制電路控制信號(hào)執(zhí)行相應(yīng)跟蹤動(dòng)作等。

2.2 控制部分

主要由GPS接收、輔助光傳感器、單片機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。系統(tǒng)采用GPS模塊獲取當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間日期等信息，用以計(jì)算實(shí)時(shí)的太陽(yáng)方位，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的根中同時(shí)借助輔助光傳感器檢測(cè)光照強(qiáng)度，在光強(qiáng)較弱時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)以節(jié)約能源。驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電池板對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。整機(jī)系統(tǒng)如圖2所示。

其中，核心部分是太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置如圖3所示，利用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取裝置安裝地點(diǎn)的經(jīng)緯度、時(shí)間、日期等信息，根據(jù)太陽(yáng)軌跡公式計(jì)算出太陽(yáng)相對(duì)裝置的方位，用以驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，保持太陽(yáng)光線(xiàn)時(shí)刻與太陽(yáng)能電池板垂直，使太陽(yáng)能利用率達(dá)到最高。與此同時(shí)，輔以光敏元件檢測(cè)光照強(qiáng)度，在光照不強(qiáng)的陰雨天氣等時(shí)候關(guān)閉機(jī)械驅(qū)動(dòng)以節(jié)省電源。整個(gè)系統(tǒng)安裝方便，只需確保安裝位置水平，以及對(duì)準(zhǔn)南北方向即可，系統(tǒng)開(kāi)啟即自動(dòng)檢測(cè)并校準(zhǔn)機(jī)械驅(qū)動(dòng)速度。并且系統(tǒng)信息可以通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端上，可以通過(guò)終端遠(yuǎn)程隨時(shí)查看系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

其中，太陽(yáng)電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供整機(jī)的全部電力輸入。白天主控制器控制將太陽(yáng)能電池板以及風(fēng)力發(fā)電機(jī)提供的電量給蓄電池充電。晚上，主控制器按照設(shè)定方式點(diǎn)亮LED路燈，若是夜間風(fēng)力足夠，風(fēng)力發(fā)電機(jī)可以同時(shí)提供路燈及蓄電池充電的電源。

GPS模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)NMEA協(xié)議報(bào)文，一幀完整的報(bào)文數(shù)據(jù)如下：

利用51單片機(jī)接收?qǐng)?bào)文，解析出時(shí)間、日期、經(jīng)緯度等信息，據(jù)此計(jì)算出太陽(yáng)方位，控制驅(qū)動(dòng)器對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)方位，并且監(jiān)控驅(qū)動(dòng)器工作狀態(tài)，防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)等情況時(shí)繼續(xù)供電損壞電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。

2.3 主控制器

采用STC公司的產(chǎn)品STC5A60S2，內(nèi)部帶有60K flash空間以及1280字節(jié)ram空間確保GPS解析及太陽(yáng)方位計(jì)算的可靠運(yùn)行，同時(shí)帶有AD功能，可直接通過(guò)光敏電阻檢測(cè)環(huán)境光線(xiàn)而不必另外增加adc轉(zhuǎn)換芯片。其引腳功能如圖4所示。

GPS接收部分采用了C3-370C模塊，直接輸出串口NMEA報(bào)文數(shù)據(jù)，極大地簡(jiǎn)化了單片機(jī)的工作。如圖5所示：

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，模塊帶有備份電池以及實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可以極大地加快熱啟動(dòng)的尋星定位速度。

2.4 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤部分主控制電路原理圖(圖6)

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分采用L298雙H橋驅(qū)動(dòng)器，L298外形及引腳功能如圖7所示。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分實(shí)際電路(圖8)

2.6 電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)電路

機(jī)械裝置置于室外工作，日曬雨淋時(shí)間長(zhǎng)了容易發(fā)生故障，例如電機(jī)堵轉(zhuǎn)等，為防止電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)驅(qū)動(dòng)器繼續(xù)供電導(dǎo)致電機(jī)或者驅(qū)動(dòng)器損壞，設(shè)計(jì)了電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)電路，如圖9：

遠(yuǎn)程檢測(cè)終端部分，便于無(wú)線(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，電路如下(圖10、圖11)：主控制器采用了Atmel公司的產(chǎn)品AT89C51，基本功能與STC5A60S2相似，不再重復(fù)介紹。終端采用nokia5110液晶顯示器顯示信息，顯示內(nèi)容豐富，功耗低。并且根據(jù)主機(jī)傳來(lái)的時(shí)間信息，智能控制液晶背光開(kāi)關(guān)，只在夜間開(kāi)啟，進(jìn)一步節(jié)省能源。

2.7 遠(yuǎn)程終端整機(jī)電路（圖12）

3.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效益分析

中國(guó)太陽(yáng)能資源非常豐富，太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國(guó)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。2009年3月23日，財(cái)政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺(tái)《關(guān)于加快推進(jìn)太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用的實(shí)施意見(jiàn)》，并出臺(tái)了《太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，決定有條件地對(duì)部分光伏建筑進(jìn)行每瓦最多20元人民幣的補(bǔ)貼。2009年7月21日財(cái)政部、科技部、國(guó)家能源局聯(lián)合宣布在我國(guó)正式啟動(dòng)金太陽(yáng)示范工程，三部門(mén)聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于實(shí)施金太陽(yáng)示范工程的通知》，決定綜合采取財(cái)政補(bǔ)助、科技支持和市場(chǎng)拉動(dòng)方式，加快國(guó)內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，并計(jì)劃在2-3年內(nèi)，采取財(cái)政補(bǔ)助方式支持不低于500兆瓦的光伏發(fā)電示范項(xiàng)目?？梢?jiàn)，在我國(guó)政府強(qiáng)有力的政策引導(dǎo)下，中國(guó)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電市場(chǎng)已經(jīng)開(kāi)始啟動(dòng)。

我們?cè)O(shè)計(jì)的該產(chǎn)品具有省略電纜鋪設(shè)投資，維護(hù)費(fèi)用低的優(yōu)點(diǎn)。其相關(guān)費(fèi)用計(jì)算如下：

（1）市電路燈每年費(fèi)用

原來(lái)市電路燈100盞x500w=總功率50000瓦，每天照明12個(gè)小時(shí)等于一天耗電600度電，每年計(jì)算總耗電量為219000度電；219000度電x 1.5元=32.8萬(wàn)元的電費(fèi)；

（2）太陽(yáng)能照明系統(tǒng)費(fèi)用

一次投資改造后，平時(shí)不需要保養(yǎng)維護(hù)及其它費(fèi)用，每年可節(jié)約32.8萬(wàn)余元電費(fèi)；太陽(yáng)能電池板、風(fēng)力發(fā)電機(jī)等主要部件使用壽命為15年到20年，LED照明燈10年以上使用；鉛酸蓄電池使用壽命為3-5年。

圖1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)物圖

圖2 整機(jī)拓?fù)鋱D

圖3 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤部分拓?fù)鋱D

圖4 STC12C5A60S2引腳功能

（3）改造10盞燈使用15年之比較

圖5 C3-370C GPS模塊內(nèi)部框圖

圖6 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制部分

圖7 L298引腳功能

圖8 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分

表1 10盞燈使用15年之比較表

經(jīng)過(guò)改造后10盞燈15年就可節(jié)省開(kāi)支444030元，隨著常規(guī)能源的價(jià)格不斷升高，常規(guī)能源的價(jià)格有進(jìn)一步升高趨勢(shì)，其經(jīng)濟(jì)效益收益是十分顯著的。

本項(xiàng)目的預(yù)期目標(biāo)之二是社會(huì)效益。風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)路燈處處體現(xiàn)了現(xiàn)代化建設(shè)美化環(huán)境、保護(hù)環(huán)境的理念。安裝風(fēng)能太陽(yáng)能互補(bǔ)路燈，迎風(fēng)飛轉(zhuǎn)的風(fēng)車(chē)不僅可以給道路一種動(dòng)感的點(diǎn)綴，而且更能突顯我國(guó)人民崇尚環(huán)保、重視節(jié)能和跟蹤高新技術(shù)的理念。能向廣大師生和社會(huì)群眾進(jìn)行新能源利用和生態(tài)環(huán)保知識(shí)的直觀教育，其社會(huì)效益更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法用金錢(qián)衡量的。

圖9 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤電機(jī)堵轉(zhuǎn)檢測(cè)部分

圖10 NOKIA5110液晶顯示器

圖11 RF 315M無(wú)線(xiàn)接收模塊

圖12 遠(yuǎn)程檢測(cè)終端電路

圖13 自動(dòng)跟裝置軟件流程圖

5.結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，總結(jié)可以改進(jìn)的方面如下：

（1）加強(qiáng)系統(tǒng)機(jī)械強(qiáng)度，進(jìn)一步增強(qiáng)實(shí)際使用的可靠性。

（2）考慮機(jī)械部件防雨雪、冰凍情況。

（3）優(yōu)化路燈開(kāi)關(guān)程序，進(jìn)一步提高節(jié)能水平。

（4）針對(duì)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置基于視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求機(jī)械部件精度高，不能實(shí)時(shí)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)誤差的特點(diǎn)，增加光電傳感器跟蹤校正，綜合各自?xún)?yōu)點(diǎn)，可以大大減小視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律方式的局限性。

本項(xiàng)目介紹的太陽(yáng)能-風(fēng)能互補(bǔ)發(fā)電儲(chǔ)能路燈控制系統(tǒng)可以有效地提高太陽(yáng)能利用率，并且綜合利用了風(fēng)能，智能控制路燈開(kāi)啟與關(guān)閉，有效提高太陽(yáng)能、風(fēng)能等清潔能源的利用率，結(jié)構(gòu)安全可靠。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)、測(cè)試和實(shí)際使用，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤裝置是基于視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為使系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度，可進(jìn)一步采用光電傳感器跟蹤校正，構(gòu)成由視日運(yùn)動(dòng)規(guī)律跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統(tǒng)。隨著太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置的廣泛應(yīng)用，它定會(huì)有助于提高綠色能源利用的進(jìn)程，為環(huán)境保護(hù)和提高人民的生活質(zhì)量做出更大的貢獻(xiàn)。

[1]張文濤.基于PLC的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2010-3.

[2]尤金正,鄒麗新,周同,王海燕,杜偉巍.太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2009-11.

[3]邊文俊.邊疆家用太陽(yáng)能電池板自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)光系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].陰山學(xué)刊(自然科學(xué)),2011(01).

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本文為“風(fēng)能與太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用”項(xiàng)目的階段性成果。

陳國(guó)慶（1964—），男，廣東興寧人，大學(xué)本科，工學(xué)學(xué)士，講師，高級(jí)技師，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系副主任，主要研究方向：電氣自動(dòng)化及節(jié)能技術(shù)。

韋抒（1960—），男，廣西貴港人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：自動(dòng)控制系統(tǒng)及應(yīng)用。

李捷（1978—），男，廣西南寧人，碩士研究生，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系講師，主要研究方向：電子信息技術(shù)。