黃和平

(浙江樂清市兆泰有限公司，浙江 溫州 325603)

0 引言

太陽能是一種應用前景無限寬廣的清潔無污染能源，然而它也存在低密度、間歇性、光照方向和強度受地勢、天氣、雨雪風等因素隨時間空間不斷分布變化的問題。目前太陽能利用轉(zhuǎn)化率為10%～20%。理論分析表明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%[1]。據(jù)實驗， 在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高45%。因此在太陽能利用中，進行智能跟蹤是十分必要的。本文提出了一種新型的基于單片機的陽光自動跟蹤系統(tǒng)軟硬件設(shè)計方案，該系統(tǒng)不僅能自動根據(jù)陽光方向來調(diào)整太陽能利用裝置朝向，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且具有自動識別天氣的能力，不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能的利用率，有較好的推廣應用價值。

1 系統(tǒng)原理與設(shè)計

陽光跟蹤系統(tǒng)的目的在于使太陽能利用裝置始終對準太陽，并將室外的陽光引入室內(nèi)。系統(tǒng)總體設(shè)計方案應包括硬件電路和軟件的設(shè)計。本文介紹的硬件電路設(shè)計又包括傳感器及其電路的設(shè)計、驅(qū)動電源、電機執(zhí)行模塊、鍵盤和顯示模塊、芯片電路和遙控電路、云臺等及其電路設(shè)計。

陽光跟蹤系統(tǒng)的工作原理是，系統(tǒng)自尋原點，由支撐云臺的底座上的0.75kW電機控制。底座上的北向標記處的光電檢測轉(zhuǎn)到與指南針重合，使云臺保持正向的東西方位面向太陽的位置后，把來自不同位置的傳感器上采集到的8路光信息、壓力和風阻傳感器信息經(jīng)過電路轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號之后，送入自帶模數(shù)10路AD轉(zhuǎn)換功能的STC12C5A60S2系列單片機。由程序控制單片機對數(shù)據(jù)處理，并對AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行判斷，計算后產(chǎn)生正確輸出，從而控制相應的2個具有x，y軸四方向的0.75kW直流電機動作。聚光體是由一組凸透鏡組成，每個聚光透鏡的焦點固定一根光導纖維，用來傳輸太陽光。系統(tǒng)中的陽光傳感器和聚光體一起被固定在云臺上。當陽光傳感器采集信號并經(jīng)過單片機控制云臺可以在水平方向旋轉(zhuǎn)超過210°，在y方向旋轉(zhuǎn)超過120°轉(zhuǎn)動時，傳感器實時采集的信號又反饋給單片機進行校準判斷，從而實現(xiàn)對太陽的實時精確對準跟蹤，進而達到控制云臺的目的，使聚光系統(tǒng)始終獲得太陽直射。陽光跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖1。

圖1 陽光自動跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 陽光傳感器的設(shè)計

陽光傳感器的核心器件是8個光敏電阻，其中4個分布在上一層4個方向的黑色直筒外，另外4個分布在黑色直筒中一個凸透鏡的下方，分別進行“粗調(diào)”和“細調(diào)”，如圖2所示。因為凸透鏡聚光后在下方會形成很明顯的光圈，如果太陽有小段距離的移動，那么光圈就會有相應的移動，即使光圈距離只移動0.4mm，即1/10的光敏電阻的寬度，光敏電阻的阻值也會發(fā)生很大的變化。因為經(jīng)過聚焦的太陽光的照度比較大，所以當匯聚后的陽光只有一點照到了光敏電阻上，根據(jù)程序算法，兩端的光敏電阻也會有很大的電壓差，完全滿足系統(tǒng)進行細調(diào)的要求。

圖2 立體結(jié)構(gòu)的陽光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

因為“粗調(diào)”和“細調(diào)”原理類似，文中僅說明“粗調(diào)”的原理。該太陽光信號采集器中“粗調(diào)”信號采集部分4個光電傳感器的工作原理：當有太陽光照射時，黑盒之外的4個光敏電阻，即4、5、6、7號光敏電阻總會有1個或者2個因為黑盒的阻擋，而相對其余的光敏電阻感光強度相對較弱。因此經(jīng)過電路轉(zhuǎn)換后電壓會偏低，這時單片機即可粗略判斷太陽的大概位置，驅(qū)動電機工作，使得聚光系統(tǒng)逐漸對準太陽。當聚光系統(tǒng)驅(qū)動到快要對準太陽的時候，4，5，6，7號光敏電阻已經(jīng)無法判斷是否精確對準。這時進行細調(diào)的0、1、2、3號光敏電阻開始發(fā)揮作用。

1.2 驅(qū)動電源

在保證跟蹤精度條件下，盡量減小能源消耗，據(jù)此設(shè)計驅(qū)動電機每24s轉(zhuǎn)動一次的特點，將通常采用的蓄電池改換成電容，既延長了壽命，又降低了成本，而且體積也同時減小了，原理圖見圖3。

圖3 驅(qū)動電源中電容代替電池原理圖

1.3 信號產(chǎn)生和處理

陽光傳感器將太陽光信息轉(zhuǎn)化成電壓信號，再由信號處理電路將其轉(zhuǎn)化為供單片機AD口轉(zhuǎn)化的0 V～5 V電壓，通過AD轉(zhuǎn)化即可將陽光強度轉(zhuǎn)化成0-255的十進制數(shù)。這8個十進制數(shù)則表示了光照強度。將單片機輸出的8個十進制數(shù)命名為S0～S7。經(jīng)過試驗，當S4，S5，S6，S7的和值≥220時，認為有適當強度的光照，并開始調(diào)節(jié)；這里采用的是比較調(diào)節(jié)法，外部判斷條件如表1，內(nèi)部判斷條件如表2，當進入內(nèi)部調(diào)節(jié)時，外部調(diào)節(jié)將不起作用。

表1 外部調(diào)節(jié)判斷表

表2 內(nèi)部調(diào)節(jié)判斷表

8個光敏電阻分別對應一路信號，通過信號處理電路與單片機P1口相連，如圖4所示。通過調(diào)節(jié)8路Rf的阻值，使其在相同光照的情況下得到相同的十進制數(shù)，即S的值。此時單片機進行判斷調(diào)節(jié)，然后控制電機平臺進行旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)對太陽位置的實時跟蹤。

圖4 光伏電池板傾斜角自動跟蹤裝置

1.4 電源模塊及執(zhí)行機構(gòu)

陽光跟蹤系統(tǒng)的電源來自太陽能電池板，這樣整個系統(tǒng)就可以不需要市電而獨立運行。電源模塊主要有兩個作用：1) 通過78L05將太陽能電池板的電壓轉(zhuǎn)化成5 V直流電壓,為整個控制板提供電源。2) 將太陽能電池板的電壓通過電解電容直接給電機及其驅(qū)動芯片供電。

78L05是最常用到的穩(wěn)壓芯片，它的使用比較方便。用很簡單的電路就可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源,其輸入電壓值為7 V～15 V，輸出電壓恰好為5 V，剛好是51系列單片機運行所需的電壓。3個引腳中(圖2)1接太陽能電池板輸出的+12 V電壓，2為公共地，3是穩(wěn)壓之后供給控制部分各模塊的+5 V電壓。

單片機將AD轉(zhuǎn)換后的值進行判斷、運算，產(chǎn)生輸出，控制相應電機正反轉(zhuǎn)，就可以調(diào)節(jié)云臺獲得陽光直射。聚光體和陽光傳感器都安裝在云臺上，調(diào)整云臺的角度就調(diào)整了聚光體和陽光傳感器的角度，即可實現(xiàn)反饋調(diào)節(jié)。此系統(tǒng)中，單片機通過L298電路驅(qū)動2個直流電機。跟蹤裝置采用雙軸式，分別進行方位角和高度角的調(diào)節(jié)，由此達到準確跟蹤陽光的目的。

2 系統(tǒng)實驗與運行軟件實現(xiàn)

要實現(xiàn)對陽光的自動跟蹤，系統(tǒng)必須能夠識別天氣，檢測異常狀況并進行處理的能力。此外，為了系統(tǒng)調(diào)試方便，還增加了手動調(diào)節(jié)和遙控。按照系統(tǒng)的功能要求及硬件結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件包括：天氣識別，異常檢測和處理，光照強度判斷及輸出，電機執(zhí)行動作等部分。軟件流程圖如圖5所示。如果陽光自動跟蹤系統(tǒng)開始工作，那么程序一直處于循環(huán)運行狀態(tài)，當對準太陽之后，電機一般會在21s左右的時間動作一次，耗能很小，程序運行穩(wěn)定。

圖5 軟件流程圖

單片機對AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果進行判斷、計算并且產(chǎn)生正確的輸出，驅(qū)動電機。通過陽光傳感器、積雪壓力傳感器以及相應的程序，系統(tǒng)能夠準確識別出陰天、晚上，不同天氣，異常檢測和處理，光照強度判斷及輸出，電機執(zhí)行動作等。一旦系統(tǒng)檢測到天氣為陰天，大風與大雪、系統(tǒng)屏蔽跟蹤功能，直到太陽出來為止。另外，還要掃描是否接入了調(diào)試模塊，對鍵盤顯示做相應的處理等[2-3]。

所開發(fā)的陽光自動跟蹤系統(tǒng)經(jīng)56次的實驗證明，跟蹤精度高達0.1°，而且沒有跟蹤死角、手動調(diào)試及自動運行，遙控操作、檢測功能、強風保護功能及異常情況處理功能均正確無誤，經(jīng)近3年的使用和運行實驗證明程序運行穩(wěn)定，系統(tǒng)設(shè)計可靠，硬件成本與維護成本低廉，可實時精確跟蹤太陽。

3 結(jié)語

陽光自動跟蹤系統(tǒng)通過精心設(shè)計，并經(jīng)多個用戶的長時間試驗的考驗和大量產(chǎn)品在不同場合下長期運行的考核驗證，該產(chǎn)品的設(shè)計方案已經(jīng)成熟定型，并建立了一套可靠保證體系，使產(chǎn)品質(zhì)量得以保證。陽光自動跟蹤系統(tǒng)的進一步發(fā)展，可考慮網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)同接口，使陽光智能自動跟蹤系統(tǒng)在國內(nèi)國際公開的開放系統(tǒng)中得以應用，使其在太陽能領(lǐng)域中成為大眾需要的產(chǎn)品，以提高我國太陽能領(lǐng)域陽光自動跟蹤系統(tǒng)智能設(shè)計的總體水平。

[1] 王長貴，喜文華，張煥芬，等. 中國能源的開發(fā)和利用[M]. 北京：能源出版社，1986.

[2] 秉時. 光敏電阻的種類、原理及工作特性[J]. 紅外，2003,11：65-66.

[3] 高海振，莫乾坤，張翔，等. 立方量電源系統(tǒng)設(shè)計與實驗[J]. 機械制造與自動化，2017,46(5):198-201.