胡金艷，李 盛，張宇婷，謝欣欣

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

小型太陽能自動追蹤系統(tǒng)研制

胡金艷，李 盛，張宇婷，謝欣欣

（西京學(xué)院，陜西 西安 710123）

太陽能資源豐富，為了能高效地收集太陽能，文章設(shè)計了小型太陽能自動追蹤系統(tǒng)，可以從4個方位檢測陽光，并對其光心進行實時追蹤，大大提高了能源利用率。該系統(tǒng)采用自動化控制，通過單片機控制步進電機轉(zhuǎn)動來調(diào)整電池板角度實現(xiàn)對太陽能的全方位監(jiān)控，從而有效提高太陽板的光電轉(zhuǎn)化效率，實現(xiàn)太陽能利用最大化，解決了太陽能利用不充分的問題。

太陽能；單片機；步進電機

太陽能作為清潔能源，是目前開發(fā)潛能最大的能源[1]；為了提高太陽能的利用率，本文設(shè)計的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，使用STC89C52單片機為整個控制系統(tǒng)的核心，將視日運動軌跡跟蹤與光電跟蹤兩種方式相結(jié)合的方法，實現(xiàn)對太陽光心的實時追蹤和全方位監(jiān)控，從而提高設(shè)備的光電轉(zhuǎn)化效率。

1 太陽能跟蹤系統(tǒng)

現(xiàn)階段所設(shè)計的太陽能追蹤系統(tǒng)尚有缺陷，從而不能保證太陽光的垂直照射，因此也不能收集到充分的太陽光能，導(dǎo)致發(fā)電效率低下。目前，全球追蹤太陽的方法大體分為兩類，即開環(huán)的程控系統(tǒng)“視日運動軌跡追蹤法”和閉環(huán)的隨機系統(tǒng)“光電追蹤法”。

太陽光線跟蹤方式最常見的就是視日運行軌跡跟蹤法。視日運動軌跡系統(tǒng)分為單軸和雙軸兩種方式。

（1）單軸跟蹤方式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易實現(xiàn)，但系統(tǒng)不能始終保持主光軸與太陽光線入射角度平行，因此單軸跟蹤系統(tǒng)對太陽能的收集效率不高[2]。

（2）雙軸跟蹤有極軸式全跟蹤和高度角－方位角式全跟蹤兩種方式。極軸式全跟蹤方法簡單，但其支承裝置不易設(shè)計、不易實現(xiàn)，因此此種追蹤方式并不理想。高度角－方位角式太陽跟蹤系統(tǒng)較為簡單，支承裝置容易實現(xiàn)且跟蹤精度高，圖1所示為其跟蹤原理。

圖1 高度角－方位角式太陽跟蹤原理

圖2 步進電機驅(qū)動電路圖

如圖1所示，θ為太陽光入射角，ω為太陽時角，δ為太陽赤緯角，γ為集熱器方位角，β為集熱器傾角，φ為實驗地區(qū)的緯度。太陽光入射角θ可以通過公式（1）得到：

通過公式（2）可以計算出第天的太陽赤緯角：

無論是哪種方式，在設(shè)計方面都需要在遮光板附近安裝光電管，追蹤太陽光需要調(diào)整遮光板的位置。遮光板的陰影部分會隨著太陽光線的逐漸減弱而發(fā)生移動，光敏電阻受到光照時會輸出微電流，此電流信號需經(jīng)過放大電路放大，才能傳送至單片機進行處理，從而調(diào)整角度使跟蹤設(shè)備對準太陽光心。

2 跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計部分

使用STC89C52單片機為控制核心，運用光敏電阻采集光線，用運放LM741對采集的光線做進行處理并將最終數(shù)據(jù)傳輸給單片機，單片機進一步處理并將處理數(shù)據(jù)傳輸給電機驅(qū)動系統(tǒng)，控制兩路電機進行調(diào)節(jié)電池板的水平方位及垂直高度的調(diào)整。本設(shè)計尋光系統(tǒng)采用單片機作為主控芯片，光敏和運放LM741組成光信號采集模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖3所示。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

單片機控制系統(tǒng)通過光電檢測電路對具體天氣情況作出判斷。系統(tǒng)根據(jù)太陽光照射強度判斷是否為晴天，晴天時進行光電追蹤法，陰天時使用角度追蹤法。單片機根據(jù)這些信息的處理發(fā)出控制信號，傳送至驅(qū)動電路，進而驅(qū)動步進電機的轉(zhuǎn)動，從而帶動太陽光接收裝置轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)太陽光的實時追蹤[3]。

步進電機不能直接由單片機驅(qū)動，必須連接驅(qū)動電路，其控制原理是電機驅(qū)動器接收驅(qū)動電路中的放大控制器發(fā)出的脈沖信號后，發(fā)出控制信號驅(qū)動電機按著一定的角度和速度旋轉(zhuǎn)。電機的位移量取決于控制器發(fā)出的脈沖個數(shù)，電機旋轉(zhuǎn)的速度和加速度取決于脈沖頻率，因此只要控制脈沖，便可控制步進電機的相應(yīng)操作。

本系統(tǒng)采用串行控制方式對步進電機進行控制。用一條發(fā)送時鐘脈沖串的控制線和一條發(fā)送方向電平信息的控制線將步進電機驅(qū)動器與控制器連接起來，便可實現(xiàn)對電機的控制。如圖4所示為步進電機電路原理圖。

控制器發(fā)出脈沖和方向電平信息，驅(qū)動部分的環(huán)形分配器接收來自控制器的信息并對步進電機的1相勵磁、2相勵磁、1—2相勵磁進行交替使用，功率放大器將環(huán)形分配器輸出的電流放大，驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。時鐘脈沖控制線控制步進電機的轉(zhuǎn)速，方向電平控制線控制步進電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)角，方向電平為高電平1時，步進電機按著環(huán)形分配器反向分配的脈沖信號反向轉(zhuǎn)動；否則正向轉(zhuǎn)動。

3 追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計

太陽能自動追蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計部分有主程序模塊、步進電機驅(qū)動模塊。運行程序，系統(tǒng)判斷跟蹤機構(gòu)是否處于起始位置（水平角的電機1旋轉(zhuǎn)到正東方，高度角電機2旋轉(zhuǎn)到太陽能電池板水平方位），若不在起始位置，跟蹤機構(gòu)自動返回起始位置；若在起始位置，系統(tǒng)判斷當前天氣是否是晴天，如果是晴天，系統(tǒng)進入視日運行軌跡跟蹤法開始追蹤陽光；如果是陰天，系統(tǒng)進入光電追蹤方式，并進入延時階段，間隔30分鐘，系統(tǒng)再次對當前天氣進行判斷，若是晴天，則返回視日運行軌跡跟蹤子程序，若是陰天，則返回光電檢測跟蹤子程序，如此，系統(tǒng)進入循環(huán)狀態(tài)。系統(tǒng)完成一次跟蹤后進入延時時間，30分鐘后，延時結(jié)束，系統(tǒng)對當前天氣再進行判斷，系統(tǒng)流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體流程圖

4 結(jié)語

本文設(shè)計的太陽能自動追蹤系統(tǒng)，采用STC89C52單片機為控制核心，通過5個環(huán)形分布的光敏電阻構(gòu)成的比較電路可以對具體天氣情況進行判斷，根據(jù)具體天氣情況系統(tǒng)自動選擇追蹤陽光的方式，結(jié)合兩種追蹤方式，具有高效率、低誤差的優(yōu)點，加上軟件設(shè)計，使得整個系統(tǒng)緊密配合，完善系統(tǒng)的監(jiān)控程序，從而達到精確地對太陽的方位角和高度角進行實時快速準確跟蹤的目的。

[1]郭洪雨.從低碳經(jīng)濟看太陽能開發(fā)利用前景[J].城市開發(fā)，2009（24）：48-49.

[2]鄭小年，黃巧燕.太陽跟蹤方法及應(yīng)用[J].能源技術(shù)，2003（4）：149-151.

[3]楊豐濤.基于單片機的太陽光追蹤系統(tǒng)研究[J].中北大學(xué)學(xué)報，2013（5）：12-14.

Development of small scale solar automatic tracking system

Hu Jinyan, Li Sheng, Zhang Yuting, Xie Xinxin
（Xijing University, Xi’an 710123, China）

For solar energy resources is abundant, in order to collect solar energy efficiently, the automatic tracking system of small solar is design to detect the sunlight and real-time track the core of sun from four directions, which greatly improves the utilization rate of energy.The system adopts automation control, through the use of micro controller to control the stepper motor rotation to adjust the angle of the battery board to achieve the full range of solar energy monitoring, which can effectively improve the photoelectric conversion efficiency of solar panels, implements the maximization utilization of solar energy and solves the problem of inadequate utilization of solar energy.

solar energy; single chip microcomputer; stepper motor

胡金艷（1992— ），女，陜西西安，碩士研究生；研究方向：信息控制與處理。