趙宇蘭

(山西大學(xué)商務(wù)學(xué)院,山西 太原 030031)

0 引言

新能源的開發(fā)和利用是破解中國乃至世界難題的利刃，加大新型清潔、高效能源和可再生能源的開發(fā)對全社會的科學(xué)發(fā)展、可持續(xù)發(fā)展有重要意義。太陽能作為一種特有的可再生能源，具有清潔無污染、資源豐富等優(yōu)點(diǎn)，已被人類作為未來能源開發(fā)的首選。但是，目前太陽能的開發(fā)利用也存在著諸如利用效率低下、易受天氣變化等自然條件的影響等弊端[1]。

本設(shè)計(jì)是為提高太陽能利用效率而設(shè)計(jì)的一款具有高精度特征的太陽能雙軸跟蹤系統(tǒng)。這一系統(tǒng)結(jié)合了光電跟蹤[2]與雙軸追蹤[3]兩項(xiàng)技術(shù)，利用其實(shí)現(xiàn)跟蹤功能的原理進(jìn)行光照強(qiáng)度的精準(zhǔn)檢驗(yàn)及收集，系統(tǒng)能夠隨著太陽光的運(yùn)動而運(yùn)動，隨著光照位置的變化而控制轉(zhuǎn)動方向，使太陽能板面與四個方向的平均光照始終保持垂直的關(guān)系，最終達(dá)到自動跟蹤的目標(biāo)，從而使太陽能的利用效率達(dá)到最佳，有效地改善了太陽能資源利用率低下的問題。

1 系統(tǒng)分析

通常情況下，人們借用太陽能采集裝置將當(dāng)前的太陽能轉(zhuǎn)化成其它種類的可用資源，以實(shí)現(xiàn)對太陽能的充分利用。但在本設(shè)計(jì)中，是將太陽能確切地轉(zhuǎn)化為電流信號。在這個明確的能量轉(zhuǎn)化過程中，光源所處的點(diǎn)會隨著時間的流逝不時產(chǎn)生一定的位移。采取能夠靈活轉(zhuǎn)動的采光板構(gòu)建追蹤系統(tǒng)，更利于接收較多的能量，發(fā)揮實(shí)時跟蹤的作用，提升光能的使用率。

本系統(tǒng)研發(fā)的前提條件是杜絕繁雜的構(gòu)造與維持穩(wěn)定的功能，兼顧經(jīng)濟(jì)、實(shí)用等基本要求。依據(jù)總體設(shè)計(jì)要求，充分考慮到所使用裝置的各個組成部分的經(jīng)濟(jì)性狀況，選用性價比和可靠性較強(qiáng)的組成部件。在系統(tǒng)構(gòu)建中，應(yīng)盡可能簡潔，以便于后期的安裝與維護(hù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中使用的STC89C52主控芯片，通過對光電檢測模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)控制電路及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)太陽光實(shí)時自動追蹤的功能。設(shè)計(jì)的基本原理是：在自動模式下，首先由四個完全相同的光敏電阻對太陽光進(jìn)行采集，光照位置的變化導(dǎo)致它們分別采集到的光照強(qiáng)度不同，相應(yīng)地就會有電壓信號產(chǎn)生。由于在光強(qiáng)收集階段采集到的信號為模擬信號，所以要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可以直接識別的數(shù)字脈沖信號。單片機(jī)要根據(jù)已經(jīng)錄入的程序?qū)邮盏降臄?shù)字信號做出比較判斷，并發(fā)出控制指令，通過ULN2803驅(qū)使步進(jìn)電機(jī)工作，位于下面的步進(jìn)電機(jī)控制上面的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行左右轉(zhuǎn)動，上面的步進(jìn)電機(jī)控制采集板進(jìn)行上下旋轉(zhuǎn)，從而使采集板的入射角始終維持垂直狀態(tài)。這種采光過程不斷重復(fù)進(jìn)行，直至每個方向上的電阻接收到的光照程度一致為止，采集板不再轉(zhuǎn)動。

此追蹤系統(tǒng)的總體運(yùn)作步驟如圖1所示。

圖1系統(tǒng)流程圖

2.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1) 光電采集轉(zhuǎn)換電路

本設(shè)計(jì)應(yīng)用光敏二極管實(shí)現(xiàn)光信號與電的模擬信號之間的變換。通過光敏電阻所接收光線強(qiáng)度的變化，引起其本身阻值大小的變化，太陽光線變?nèi)?，光敏阻值越大，光線越強(qiáng)，阻值越小，加上電路所施加的反向電壓推動，使得載流子不斷運(yùn)動，最終導(dǎo)致反向電流的增大。

由于在光線檢測部分所采集到的電信號是模擬信號，而單片機(jī)所能直接識別的信號卻不是模擬信號的形式，所以在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的過程中進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換是必不可少的。本設(shè)計(jì)中所運(yùn)用的A/D轉(zhuǎn)換器允許四路模擬信號的輸入，芯片的通訊時長遵循I2C的通訊協(xié)議，P1.0、P1.1是I2C總線所對應(yīng)連接的管腳，10k的電阻是上拉電阻，起到了穩(wěn)定信號的作用[4]。

2) 單片機(jī)相關(guān)電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中的按鍵控制是“1+4”組合形式的非編碼鍵盤，1是指一個手動模式與自動控制模式的切換按鍵，4是指東西南北四個轉(zhuǎn)動方向。在按下按鍵的時刻，使按鍵所在處導(dǎo)通，并將其由高電平拉為低電平信號，而單片機(jī)正是因?yàn)闄z測到這一低電平而對步進(jìn)電機(jī)發(fā)出相應(yīng)地控制指令。按鍵控制電路如圖2所示。

3) 電機(jī)驅(qū)動部分

本設(shè)計(jì)中選用了常用的電磁式28BYJ-48型號5V步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動追蹤。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行工作所轉(zhuǎn)動角度與速度的依據(jù)是脈沖信號的個數(shù)以及單片機(jī)所發(fā)出脈沖信號的變動頻率。每向步進(jìn)電機(jī)輸入一個數(shù)字脈沖信號的時候，步進(jìn)電機(jī)都會相應(yīng)地做出一定距離的移動或者一定大小的角度，且任意一個信號輸入的時候均能實(shí)現(xiàn)精確追蹤。脈沖步進(jìn)電機(jī)實(shí)物如圖3所示。

圖2 按鍵控制電路

圖3 步進(jìn)電機(jī)

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的軟件部分采用C語言，易于廣泛掌握與運(yùn)用，之后進(jìn)行編譯，成為機(jī)器語言運(yùn)行。在總體上對本系統(tǒng)的流程圖進(jìn)行分析，從信息的輸入到電機(jī)驅(qū)動為止。

3.1 模式切換設(shè)計(jì)

在接通電源電路時，首要完成對手動或自動模式的選擇，中心位置的按鍵可以完成切換模式這一功能，當(dāng)處于手動形式，按下按鍵會轉(zhuǎn)換為自動形式，在自動模式下按下按鍵會切換為自動模式。模式切換流程如圖4所示。

圖4 模式切換流程圖

3.2 手動模式流程設(shè)計(jì)

對手動模式下的按鍵運(yùn)行方式進(jìn)行詳細(xì)分析，通過中心位置的模式切換按鍵將追蹤系統(tǒng)設(shè)定在手動模式下，這個模式切換按鈕周圍的四個按鍵分別控制東西南北四個方向的轉(zhuǎn)動，從而直接控制步進(jìn)機(jī)工作，實(shí)現(xiàn)對太陽光的跟蹤。

3.3 自動模式流程設(shè)計(jì)

對自動模式下的按鍵運(yùn)行方式進(jìn)行詳細(xì)分析，通過中心位置的模式切換按鍵將追蹤系統(tǒng)設(shè)定在手動模式下，會使電平信號由低變高，而單片機(jī)正是由于檢測到這一有效信號才會發(fā)出相應(yīng)地指令，使步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行自動翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)跟蹤效果。

4 系統(tǒng)測試

在實(shí)驗(yàn)過程中，系統(tǒng)的正常工作易受外界天氣環(huán)境的影響，因此，在系統(tǒng)調(diào)試階段對跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了極端測驗(yàn)，以增加其可靠性。仿真電路如圖5所示。

圖5 電路仿真圖

5 結(jié)語

太陽能雙軸自動跟蹤系統(tǒng)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)固定采光板的弊端，有效改善了太陽能利用水平。該設(shè)計(jì)最大的亮點(diǎn)是采用了光電追蹤與雙軸追蹤結(jié)合的方式，其目的是使太陽光的采集板與太陽光始終保持垂直關(guān)系，以便實(shí)現(xiàn)高精度、可自動調(diào)整的追蹤。與此同時，明確系統(tǒng)參數(shù)在跟蹤性能上的重要作用，有利于太陽光源跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)化與設(shè)計(jì)。在對系統(tǒng)中各功能模塊進(jìn)行篩選的過程中，充分考慮了系統(tǒng)穩(wěn)定性的維護(hù)與成本，建立了最合適的模塊架構(gòu)。但系統(tǒng)也存在需要改進(jìn)的地方，如果在跟蹤過程中發(fā)生故障，系統(tǒng)不會做出任何提示，將會影響追蹤質(zhì)量。