李 珺，宋文龍，王禹淇

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

能源對于人類在社會中的生存和發(fā)展是至關(guān)重要的。隨著人類步入21世紀(jì)，科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的腳步逐步加快，各國對能源的消耗也是與日俱增，對能源的開發(fā)利用也是越來越猛烈。但是能源問題不僅表現(xiàn)在資源匱乏上面，還表現(xiàn)在傳統(tǒng)能源在使用的過程中出現(xiàn)對環(huán)境的嚴(yán)重污染上面。太陽能作為一種新興的綠色能源，正得到迅速的推廣應(yīng)用［1］。為了緩解化石燃料的消耗殆盡，光伏發(fā)電被列為21新世紀(jì)重要的研究項目來應(yīng)對資源以及環(huán)境問題［2－5］。1997年美國和歐洲相繼宣布“百萬屋頂光伏計劃”［6］，我國太陽電池的生產(chǎn)能力從1984年以前的年產(chǎn)200千瓦躍到1988年的4.5兆瓦［7］，截止2008年底，我國太陽能光伏電池年產(chǎn)量已達(dá)200萬千瓦，占全球市場的30%以上［8］。如果發(fā)電系統(tǒng)與太陽光線角度存在25°偏差，就會因垂直入射的輻射能減少而使光伏陣列的輸出功率下降10%左右［9］。太陽光線垂直入射電池陣列平面時發(fā)電量最大，實時跟蹤太陽的方位，充分利用太陽能，實現(xiàn)光線垂直入射，是提高光伏電池發(fā)電效率最有效途徑［10－12］。為實現(xiàn)更加節(jié)能的道路照明效果，本文以自動跟蹤的七點法定位原理作為基礎(chǔ)，設(shè)計一種控制電路實現(xiàn)智能路燈可以自動跟蹤太陽，保證了太陽對電池板的照射角度，最大限度的提高太陽能的利用率，達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計

本硬件系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能有光敏二極管采集的模擬量信號，單片機(jī)對電壓差動信號的處理比較，以及單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)朝太陽的位置轉(zhuǎn)動［13］。

選用光敏二極管作為太陽光跟蹤系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換元件，用于七點法太陽定位器。3D俯視圖如圖1。

圖1 七點法定位裝置3D俯視圖

由于高度角的變化緣于季節(jié)變化，所以變化不大［14］。太陽能跟蹤系統(tǒng)主要跟蹤的是方向角的變化。假設(shè)太陽光線垂直照射到定位器上面時，各光敏二極管接受的光伏量相同，那么通過I/V轉(zhuǎn)換調(diào)理電路后，輸出電壓差值應(yīng)為零。當(dāng)太陽光與太陽光電池板角度過大時由于圓筒筒壁的格擋，D5、D6接收不到太陽光輻射，而輸出電壓差值不等于零，經(jīng)過放大電路放大信號和A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)為數(shù)字信號送到單片機(jī)控制器中，控制器根據(jù)差值控制步進(jìn)電機(jī)快速轉(zhuǎn)換方向跟蹤太陽方位角。當(dāng)D5、D6接收到太陽光時，開始精確跟蹤。當(dāng)太陽光與定位器基本垂直時，由于D1、D2所受的光輻射量相同，因此輸出電壓差值等于零。檢測不到太陽的方位角變化。由于圓筒的遮蔽，太陽光斜著照射使D5、D6接收的光輻射量不同，輸出電壓差值輸出電壓差值不等于零，經(jīng)過放大電路放大信號然后送到帶有A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)控制器中轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，控制器根據(jù)數(shù)字信號的差值控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)換方向垂直于太陽光線。垂直時輸出電壓差值等于零控制器控制步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，達(dá)到跟蹤太陽的目的。

1.1 單片機(jī)的選擇

太陽自動跟蹤系統(tǒng)的控制器的核心是單片機(jī)，控制器不僅接收采集的光電信號和時鐘信號，還要驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)跟蹤太陽。本文選用宏晶科技公司推出的STC12C5410AD型號單片機(jī)。

1.2 單片機(jī)與各部分的管腳連接

當(dāng)陽光照到光敏二極管 D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7的時候，光敏二極管產(chǎn)生光電流，光電流通過反相放大器產(chǎn)生電壓信號。D1、D2、D3和 D4、D5、D6的電壓信號分別通過差分放大電路得到電壓信號差值，再把差值送到單片機(jī)的A/D接口，控制器根據(jù)差值的大小正負(fù)控制電機(jī)的運轉(zhuǎn)。而D7的電壓信號直接送到單片機(jī)的A/D接口。

1.3 時鐘電路以及復(fù)位電路

圖2 D1和D2差分電路結(jié)構(gòu)圖

圖3 D7差分電路結(jié)構(gòu)圖

本控制系統(tǒng)設(shè)計結(jié)合了光電式跟蹤與時鐘式跟蹤。以哈爾濱為例，由于哈爾濱冬夏兩季的光照時間差別較大，因此把跟蹤裝置的時間設(shè)置在8時～18點之間。采用時鐘電路判斷跟蹤的時間段。由于四年為一個閏年，需要具有閏年及月份自動修正功能的時鐘芯片，此處采用DS1302芯片。D1、D2、D3和D4、D5、D6采用相同差分電路，故圖2、圖3給出D1和D2、D7兩部分時鐘電路。每天早8點跟蹤裝置都要啟動跟蹤，單片機(jī)要重新上電工作，因此復(fù)位工作能夠保證控制器各部件的初始啟動。單片機(jī)沒有復(fù)位的功能，所以復(fù)位工作需要單片機(jī)和外部電路聯(lián)合才能實現(xiàn)。當(dāng)復(fù)位信號是高電平時，機(jī)器每經(jīng)過一個周期復(fù)位電路需要采樣一次，如果復(fù)位端持續(xù)高電平兩周期以上的時候，則單片機(jī)復(fù)位。通電瞬間，電路充電，然后復(fù)位段產(chǎn)生正脈沖令單片機(jī)復(fù)位。

2 程序設(shè)計

本文以哈爾濱市為例，由于哈爾濱地處于我國東北地區(qū)，冬夏兩個季節(jié)光照時間差別較大。因此，綜合一年四季光照時間，設(shè)定光電式跟蹤時間為8時～16時。其余時間由于光照較弱，如采用自動跟蹤系統(tǒng)，則采集的太陽能不劃算，因此采光板固定采集太陽能節(jié)省了能源。當(dāng)程序啟動后。跟蹤裝置處在最開始的位置即太陽東升的位置。單從時間上看，當(dāng)時間在8時之前，系統(tǒng)默認(rèn)固定采光。8時以后采用光電式跟蹤，當(dāng)時間到達(dá)16時，跟蹤裝置停止跟蹤，固定采光。21時以后天完全黑了，跟蹤裝置開始復(fù)位，準(zhǔn)備第二天的采光。當(dāng)然，如果是陰雨天，光照量不足，在8時到16時之間系統(tǒng)會優(yōu)先判斷光輻射量的大小，當(dāng)光照度大于8 000 Lux時［9］，采用光電式跟蹤;當(dāng)光照度小于8 000 Lux時采用時序自動跟蹤。

2.1 光電式跟蹤設(shè)計

作為最主要的跟蹤方式－光電式跟蹤方式，依靠七點法定位器硬件實現(xiàn)。系統(tǒng)工作的時候，當(dāng)時間在8時到16時之間，如果光照度大于8 000 Lux，則啟用光電式跟蹤。設(shè)定位器的3個差值信號△u12、△u34、△u56，與參考電壓 Uref比較。首先方位角的粗跟蹤信號△u12和參考電壓比較，若△u12＞Uref，說明此時光線與采光板的角度偏大，于是步進(jìn)電機(jī)快速調(diào)整位置，再次比較直到△u12小于參考電壓。再將△u34與參考電壓比較，進(jìn)行跟蹤裝置的微調(diào)整。最后是高度角的調(diào)整。

2.2 時序式跟蹤設(shè)計

當(dāng)天氣為陰雨天時，這時候光照量不足，則改為時序式跟蹤作為光電式跟蹤的輔助跟蹤方式。由于每天地球自轉(zhuǎn)一周，假設(shè)時鐘系統(tǒng)規(guī)定跟蹤器每N分鐘次轉(zhuǎn)動的角度是X值，那么一天跟蹤器應(yīng)轉(zhuǎn)動的次數(shù)NUMr及角度X如式(1)、式(2)。

3 結(jié)論

(1)本文采用七點法定位器完成光照信號的采集。選擇了光敏二極管作為光敏元件，設(shè)計了七點法定位器的結(jié)構(gòu)，達(dá)到應(yīng)用路燈所需跟蹤范圍，且設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，便于未來的推廣應(yīng)用。

(2)在STC12C5410AD單片機(jī)的基礎(chǔ)上設(shè)計系統(tǒng)控制器。集成了數(shù)模轉(zhuǎn)換器，使運算效率更為準(zhǔn)確和高效，同時抗干擾能力增強(qiáng)，單片機(jī)的指令代碼和傳統(tǒng)51完全兼容，相比89c51單片機(jī)速度提高約10倍。

(3)根據(jù)光照條件選擇跟蹤方式。在白天光照良好的情況下采用光電跟蹤。凌晨或傍晚，采用時序跟蹤，夜晚復(fù)位。如果陰雨天氣光照不理想，采用時序跟蹤。在其他條件相同的情況下使用該跟蹤系統(tǒng)的路燈比未使用時發(fā)電效率提高35%。

本文設(shè)計的太陽能跟蹤控制電路，具有成本低、效率高、實用性強(qiáng)等特點，能夠?qū)崿F(xiàn)白天所收集的太陽光發(fā)電量為夜晚照明所用，極大程度節(jié)省夜晚城市光照所消耗的電能，達(dá)到綠色環(huán)保效果。此外不同地區(qū)光照時間不同，可以通過調(diào)整閾值以及時間點，充分的吸收太陽能，到21世紀(jì)末，太陽能將核能取而代之占據(jù)第一位，對太陽能的開發(fā)以及利用具有樂觀的應(yīng)用前景［15］。

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