嚴(yán)峻

摘 要：近十年來，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，是被業(yè)界一致最為看好的清潔能源產(chǎn)業(yè)之一。太陽光照在地球上的角度時刻都在變化，為取得高效的太陽能發(fā)電，必須確保太陽能電池板時刻正對太陽。本文采用了光電檢測追蹤與角度追蹤相結(jié)合的太陽能跟蹤方式，設(shè)計了一款基于MCS-51單片機(jī)控制的雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：51MCU；光伏發(fā)電；太陽能跟蹤系統(tǒng)

1 太陽能跟蹤方式的選擇

太陽能的接收裝置種類繁多，但萬變不離其宗，幾乎所有的太陽能接收裝置都是被動接收。因此，為了充分利用太陽能，需解決的核心問題就是增加日照時常和提高吸收效率。當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的電子類太陽光追蹤法主要有兩種：一是光電檢測追蹤法；二是角度追蹤法。這兩種方法各有所長，法一顯然更加準(zhǔn)確，但陰天或有云層遮擋時會有不穩(wěn)定和無休止空耗的狀態(tài)，法二按照預(yù)設(shè)狀態(tài)運行，顯然工作狀態(tài)簡單，但是準(zhǔn)確度無法一高。因此，本論文擬將這兩種方式相結(jié)合，來實現(xiàn)更合理高效的太陽能追蹤系統(tǒng)的設(shè)計。

下面對太陽角度的相關(guān)計算做一個簡單的說明。

地球繞地軸自西向東旋轉(zhuǎn)，自轉(zhuǎn)一周即為一晝夜，24h，地球每小時自轉(zhuǎn)15°。地球除了自轉(zhuǎn)以外，還繞太陽循著稱為黃道的橢圓形軌道運行，稱為公轉(zhuǎn)。公轉(zhuǎn)周期為1年（實際為365天6時6分9秒）。地球繞太陽運行的示意圖如圖1所示。

由于地球自轉(zhuǎn)和繞太陽公轉(zhuǎn)的共同作用，才會使地球上有四季更迭和晝夜交替。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面的交角稱為“黃赤交角”，約為 23?26?。如果地面的觀察者位于地球的北半球中緯度地區(qū)，即我國所處的地理位置，就可以用數(shù)學(xué)的語言對地日運動作出以下描述。

與赤道平面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。通常將太陽直射點的緯度（即太陽中心與地心的連線）與赤道平面的夾角稱為赤緯角。

太陽相對于地球的位置可由太陽高度角α和太陽方位角β來確定。太陽高度角α是指太陽光線與地表水平面之間的夾角（0 ≤α≤90°）。

通過上面公式，只要經(jīng)緯度和當(dāng)前時間確定，就可以根據(jù)固定公式計算出此時此地的太陽高度角和方位角，由于每一個地理位置的經(jīng)緯度都是唯一的，故在軟件設(shè)計的程序中，把當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度設(shè)置為常量，而當(dāng)前時間的確定是通過掃描時鐘芯片的時鐘周期得到，這樣就可以通過預(yù)先給定的函數(shù)公式計算出每時每刻的當(dāng)?shù)貙?yīng)的太陽高度角和方位角的值了。

2 太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)

由于地球的自轉(zhuǎn)和繞太陽公轉(zhuǎn)，處在地球表面的任一地理位置，太陽光線的照射方向都在時刻變化。同時由于風(fēng)雨雷電等自然因素的存在，也時刻影響著當(dāng)前位置的太陽光照射情況。因此，哪怕是同一地理位置點，每年的同一天的相同時刻太陽光的照射情況也不可能完全相同。所以，太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)是保持太陽光接收裝置的接收表面時刻與太陽光的入射角度相垂直，從而提高太陽能的利用效率。

3 太陽能跟蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計思路

本文設(shè)計的太陽能跟蹤系統(tǒng)是要在各種自然條件下均可合理、正常、高效的工作。通過查閱相關(guān)的資料，設(shè)計總體思路如下：

首先，通過前端太陽光接收裝置的光電檢測元件對當(dāng)前時刻是白天還是黑夜做出初判，若為白天，就執(zhí)行后續(xù)設(shè)定的程序；若為黑夜，則中斷觸發(fā)，系統(tǒng)響應(yīng)中斷，執(zhí)行中斷函數(shù)，使得CPU處于待機(jī)的休眠狀態(tài)，降低能耗，等待白天的來臨。

其次，若初判為白天，再次對太陽光的強弱進(jìn)行判斷：是晴朗的有強烈太陽光的天氣，還是陰云密布的太陽光微弱的天氣。根據(jù)陽光的強弱選擇不同的跟蹤方法；晴天時采用光電跟蹤法，陰天時采用太陽光角度跟蹤法。最后，根據(jù)對前端傳感器信息的分析判斷處理，按預(yù)設(shè)的算法運行，最終驅(qū)動機(jī)械傳動裝置—兩個步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，從而帶動太陽光接收裝置的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽光的實時跟蹤。整體設(shè)計開發(fā)流程如圖2 所示。

4 太陽能跟蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計方案

根據(jù)前篇太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計思路，在經(jīng)過多方的查閱資料，作者得出了以下設(shè)計方案：

前端的太陽能接收裝置利用光敏二極管構(gòu)成比較電路，實現(xiàn)晝夜檢測初判，若為白天，執(zhí)行后續(xù)步驟；若為黑夜則觸發(fā)中斷，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)睡眠狀態(tài)，降低能耗，等待白天的到來。

若檢測初判為白天，仍然利用光電二極管構(gòu)成的電路判斷太陽光的強弱。晴天太陽光強烈時采用光電檢測法，陰天太陽光微弱時采用角度追蹤法。

在角度追蹤方式中用串行實時時鐘芯片組成時鐘電路，確定當(dāng)前時間，從而根據(jù)已設(shè)定函數(shù)確定當(dāng)時當(dāng)?shù)靥柦嵌认嚓P(guān)參數(shù)值。

機(jī)械裝置采用蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)，使太陽光接收裝置能夠水平豎直雙軸旋轉(zhuǎn)。

整個系統(tǒng)使用AT89S51單片機(jī)為內(nèi)核。其中軟件設(shè)計的程序采用C51編寫。

系統(tǒng)算法流程圖如圖 3所示：

5 結(jié)語

基于MCS-51單片機(jī)的太陽能跟蹤系統(tǒng)，采用光電檢測追蹤與角度追蹤相結(jié)合的太陽能跟蹤方式，使用AT89S51單片機(jī)為控制內(nèi)核，使用電機(jī)帶動雙軸實現(xiàn)360°無死角旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高精度、高穩(wěn)定性的跟蹤效果。

參考文獻(xiàn)

[1]王東嬌，朱林泉，薛忠晉.太陽能獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].山西電子技術(shù)，2010，（2）：78-79.

[2]王濤.基于光敏感應(yīng)及角度計算的太陽追蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)，2009.