申旋旋，高尚尚，張海濤

（江蘇海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，江蘇連云港 222000）

當(dāng)今社會發(fā)展最不可或缺的能源之一是電能，但是電能的發(fā)展、使用在一定程度上對環(huán)境造成了不小的影響，每節(jié)約一點電能，環(huán)境就能少受點污染。為增加電能的儲備，保護環(huán)境，針對太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計的功能和作用，根據(jù)地理位置、方向、季節(jié)的不斷變動以及一些其他的不利因素，研究了一種低成本、高效率的太陽能光伏發(fā)電機構(gòu)，并且對其作出了自動跟蹤設(shè)置優(yōu)化，使之能夠更好地利用大自然的資源，充分地接收太陽所給予的能量，增進太陽能電池對接收太陽能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電效率，在設(shè)計優(yōu)化方案中最大限度地利用光能在太陽能模塊上導(dǎo)電。

1 自追蹤太陽能發(fā)電的整體結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計了一種通過控制裝置和驅(qū)動器控制的步進電機旋轉(zhuǎn)達到發(fā)電硅板與陽光照射方向近似垂直的機構(gòu)。該設(shè)計包括控制設(shè)計、動力設(shè)計及結(jié)構(gòu)設(shè)計三個方面?？刂圃O(shè)計是控制裝置根據(jù)當(dāng)天太陽光照射方向隨時間變化，每隔一段時間（比如半個小時）通過控制兩個電機的旋轉(zhuǎn)調(diào)整發(fā)電硅板的位置，以保證其與太陽光近似垂直；動力設(shè)計是步進電機和減速器共同作用帶動Z向旋轉(zhuǎn)軸、X向旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)；結(jié)構(gòu)設(shè)計包含基座、蝸桿、蝸輪、步進電機、聯(lián)軸器、減速器、蝸桿、蝸輪、減速器、X向Z向旋轉(zhuǎn)軸、硅板。整體結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 自追蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 自追蹤太陽能發(fā)電的硬件及電路設(shè)計

整個電路設(shè)計包括光電檢測電路、晴陰天判斷電路、晝夜判斷電路、單片機控制電路、時鐘電路、步進電機驅(qū)動器電路等。具體來說，光電檢測電路是把光電傳感器的位置固定在太陽板上，太陽板的表面與內(nèi)置的光敏二極管的工作面平行。其主要功能是對太陽運行的具體方位和實際高度進行測定和判斷。晴陰天判斷的方式是由光電追蹤模式和對太陽角度的追蹤的聯(lián)合[1]。光電追蹤模式是對光源較強時作出反應(yīng)的模式，但是當(dāng)光源變?nèi)酰ㄈ珀幪煜掠甑龋r，光電追蹤模式就會變得不靈敏，甚至無法識別。而太陽角度追蹤的設(shè)計彌補了這個缺陷，無論陰天晴天，太陽的軌跡運行總是不變的，利用公式計算出軌跡路線來實現(xiàn)對太陽的追蹤。晝夜判斷電路很好理解，用于判斷任意時刻所處的時間是白天還是黑夜。單片機控制電路則是用于控制步進電機的運行，由設(shè)計的檢測裝置檢測到太陽光線所發(fā)出的方位，把收集到的光信號經(jīng)過系統(tǒng)的內(nèi)部處理轉(zhuǎn)變成可識別的電信號，然后把檢測到的信息反饋傳送給單片機，單片機識別到系統(tǒng)的信號后，發(fā)出對應(yīng)的命令指示來操縱步進電機[2]。研究內(nèi)容中對時間的判斷采取的是時鐘模塊，考慮到與單片機型號相匹配，最終確定時鐘芯片的型號為DS1302。具有讀寫保護位，可以用時序來控制，外界對其的影響較小，質(zhì)量輕，連線簡單等特點。系統(tǒng)所選取控制步進電機運行的驅(qū)動器是SJ-220MA，根據(jù)驅(qū)動器的功能，步進電機的型號選擇的是57BYGH8404。SJ-220MA 驅(qū)動器結(jié)構(gòu)簡單、性能優(yōu)越、運行穩(wěn)定，具有頻率高和防干擾[3]，能與選擇的步進電機相匹配。

3 自追蹤太陽能發(fā)電的軟件設(shè)計

整體設(shè)計部分一共有四大板塊，具體有光電追蹤模式、太陽角度固定追蹤模式和時鐘電路模塊。接通電源之后，單片機立即啟動系統(tǒng)的中斷指令程序，等待命令處理；若系統(tǒng)檢測到是白天時，隨即進行第二次檢測，對當(dāng)天的天氣進行判斷，然后在作出相應(yīng)的指令。若檢測發(fā)現(xiàn)此刻的天氣是處于陰天狀態(tài)時，系統(tǒng)就會切換成相對應(yīng)天氣的模式，即對太陽角度追蹤的模式；若檢測發(fā)現(xiàn)此刻的天氣是處于晴天狀態(tài)時，系統(tǒng)就會切換成光電追蹤模式，通過光敏二極管的檢測，實時追蹤太陽運行的位置。針對整個追蹤系統(tǒng)，運行流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)采用的是INT0 的高低電位來確定當(dāng)前時刻是白天還是黑夜，當(dāng)系統(tǒng)檢測到INT0 的當(dāng)前電位是低電位時，系統(tǒng)就會立即運行中斷指令，進入休眠狀態(tài)。本文采用的是不停的檢測I/O 端口的高低電位，來判斷當(dāng)天時刻的天氣是晴天還是陰天。因為太陽角度固定追蹤模式的運行程序較多，因此不適合用中斷來判斷[4]。

在光電追蹤模式下，系統(tǒng)首先根據(jù)D0 所連接的單片機引腳的高低電位來檢測太陽光線是否照射在了中間的光敏二極管D0 上，如果光敏二極管D0 接收到了光線的照射，此時軟件的設(shè)計指令會控制本系統(tǒng)延遲15 min；如果D0 沒有接收到光線的照射，說明光源不在此光敏二極管上，則系統(tǒng)立即作出反應(yīng)，對其余4 個光敏二極管進行檢測。隨后系統(tǒng)就會發(fā)出指令由控制器控制步進電機向相應(yīng)的方向運動，直到安裝在中間位置的光敏二極管D0 收到了太陽的光線為止。這就達成了光電追蹤太陽的設(shè)計。

在太陽角度軌跡追蹤模式下，因為天氣、時間和地點的選擇對該模式不會造成影響，所以只需要通過公式計算出當(dāng)天每時每刻太陽運行的軌跡，即便是在陰天，也可以對太陽的實際位置進行準(zhǔn)確的定位及精確的追蹤，大大地解決了光電傳感器在光線不好的情況下無法運行的問題。

時鐘模塊：要想判斷太陽運行的具體位置，首先得知道當(dāng)時的時間，因此，筆者們采取了用時鐘芯片DS1302 來記錄時間的方法，有了準(zhǔn)確的時間后，對太陽運行的軌跡進行追蹤，就可以把太陽的具體角度算出來了。針對當(dāng)前時間的判斷，系統(tǒng)的設(shè)計采用的是中斷指令，在黑夜的基礎(chǔ)上，如果INT0 呈現(xiàn)低電位，系統(tǒng)立即作出反應(yīng)，即運行中斷程序，此時兩個步進電機進入等待狀態(tài)。

4 小結(jié)

本文所論述的系統(tǒng)首先進行的是晝夜檢測，其次是檢測天氣的好壞，來判斷是運行光電追蹤模式還是太陽角度軌跡固定追蹤模式，最后通過引腳反饋給單片機，在由單片機發(fā)出指令信號，控制步進電機，電機帶動設(shè)計好的特殊結(jié)構(gòu)，使硅板實時地追蹤太陽。單片機作為系統(tǒng)的核心，此單片機功能強大，結(jié)構(gòu)簡單，完全可以滿足系統(tǒng)所需的功能。對結(jié)構(gòu)的設(shè)計是采用水平和豎直的雙向追蹤設(shè)計，大大增加了太陽板運行的靈活性，提高了采集陽光的效率。

當(dāng)然，本文所設(shè)計的系統(tǒng)還有一些不足之處。例如，有大風(fēng)天氣時，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是否能抵擋得住，能否保持系統(tǒng)正常運行；若雨水打濕了系統(tǒng)，會不會短路，造成系統(tǒng)故障等。