基于一維機械跟蹤定位系統的太陽自動跟蹤器的設計與實現

常州劉國鈞高等職業技術學校 劉冉冉 鄭恩興

1.前言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發展前景非常廣闊，太陽能發電已成為全球發展速度最快的技術。然而它也存在著間歇性、光照時間和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提高了更高的要求[2]。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發電率低下。據試驗，在太陽能光發電中，相同條件下，采用自動跟蹤發電設備要比固定發電設備的發電量提高35%，因此在太陽能利用中，進行跟蹤是十分必要的[3-4]。

按照不同的分類方法，太陽跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤（程序控制），還有單軸跟蹤和雙軸跟蹤。傳感器跟蹤是利用光電傳感器檢測太陽光是否偏離，當太陽光偏離時，傳感器發出偏差信號，經放大運算后，控制執行機構重新對準太陽光。這種跟蹤方式的優點是靈敏度高，缺點是受天氣影響大，陰雨天無法對準太陽，甚至引起執行機構的誤動作。視日運動軌跡的跟蹤（程序控制），是根據太陽的實際運行軌跡按預定的程序調整跟蹤太陽，這種跟蹤方式能夠全天候實時跟蹤，但其精度比較低。單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角做季節性調整，雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個方向跟蹤太陽。

本文提出一種新型的基于單片機的太陽光自動跟蹤系統設計方案，該系統采用傳感器跟蹤方式，實現方位角單軸一維機械跟蹤。不僅能自動跟蹤太陽光方向來調整太陽能電池板朝向，結構簡單、成本低，而且在跟蹤過程中能自動記憶和更正不同時間的坐標位置，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。

圖1 太陽自動跟蹤系統結構

2.系統設計

本文是基于單片機的太陽跟蹤裝置設計，將控制器分為軟硬件兩部分來設計與調試，實現了太陽跟蹤的基本功能。

太陽自動跟蹤裝置主要是由光電檢測電路[5]、機械跟蹤定位系統、單片機控制系統等幾部份組成。電源電路采用5V/500mA的集成穩壓電源，輸出高電平和低電位；機械跟蹤系統主要由支架、兩個轉動軸、直流電機；單片機選用低損耗、高性能、COMS八位微處理器AT89C52，片內有8K字節的可擦寫存儲器，4組I/O口。

主控制單元主要完成：過濾干擾，定時器每隔一段時間采樣一次用數組進行緩沖過濾掉干擾；計算功能，計算電機轉動的角度；控制功能，編程控制手動、自動調整，控制電機的正轉與反轉。

2.1 系統總體設計

主要通過微機處理器對光敏二極管采集的信號來驅動直流電機的正轉、反轉、速度等進行控制，從而對跟蹤太陽的控制，本設計采用的是被動式太陽跟蹤。其系統結構如圖1所示。

2.2 硬件總體設計

該系統通過單片機、光傳感器、電機以及硬件電路板等板塊的組合運用來控制太陽能的跟蹤，達到和太陽形成同步運動的目的，從而提高太陽能的利用率。該系統主要包含的模塊有：單片機控制模塊、光敏傳感器模塊、電機驅動模塊、按鍵調整模塊等模塊。系統結構框圖如圖2所示。

2.3 軟件總體設計

根據一維坐標系，自動跟蹤裝置具有一個垂直的轉軸，即垂直軸，垂直于水平面，傳感板圍繞垂直軸轉動實現方位角的變化[6-9]。本系統為軟硬件相結合的設計，在硬件的基礎上用軟件實現一些功能。軟件實現的主要功能：過濾干擾，定時器每隔一段時間采樣一次用數組進行緩沖過濾掉干擾；計算功能，計算電機轉動的角度。系統的狀態調整需要三個調整鍵，分別為手動/自動切換、電機正轉、電機反轉。

圖2 系統的結構框圖圖3 主程序流程

圖4 光敏二極管的排列

本系統的軟件由以下幾個部分組成：系統初始化模塊、掃描按鍵、自動跟蹤模塊、電機驅動模塊。系統初始化模塊主要由軟件實現，如圖3所示：

2.3.1 系統初始化模塊

系統初始化模塊主要確定跟蹤裝置機械結構的基準位置。機械運動部件運動到基準位置后，觸發開關向控制端口發送電平信號，單片機收到消息后立即終止驅動脈沖的發送。這種模式主要是針對系統工作異常和日落后系統自動返回基準位置設置的，也可以減小因機械結構的加工和直流電機的傳動而產生的誤差積累。

2.3.2 自動跟蹤模塊

自動跟蹤模塊是由8個光敏二極管組成的一個傳感器[10]。如圖4所示，將傳感器分成兩個區域，具體是光敏二極管D2、D3、D4為一組，D5、D6、D7為一組，形成左右各一區域的狀態，將此檢測板用兩個不透光的下方開口的圓柱體蓋住，圓柱體的直徑要正好圈住三個光敏二極管。圓柱體的上方中央開一個與檢測用的光電二極管直徑相同的洞，以讓光線通過。傳感器檢測部分實現的功能是能準確判斷是左偏還是右偏，當兩個區域都有信號時為正對，電機不轉。如果有一個區域的傳感器信號被遮擋則產生相對應的動作，即采集的信號利用運放放大信號傳送給單片機，單片機根據采集的信號分析電機是否轉，轉的話，是左轉還是右轉。

2.3.3 按鍵電機驅動模塊

電機驅動模塊是由按鍵掃描完成和單片機控制同時完成的。主要由單片機控制單元以軟件形式完成，再由按鍵輔助完美化。在本系統中，選擇的電機是5V的直流電機，其本身有很大的磁場，對繼電器有很大的工作干擾，所以使用的是橋式驅動。本系統中共有三個功能鍵：分別為手動/自動切換、電機正轉、電機反轉。

3.結束語

本文以單片機為核心，設計了基于方位角單軸一維機械跟蹤定位的太陽跟蹤定位系統。該系統應用了太陽輻射與環境亮度的比較，使得該自動跟蹤系統的準確性、可靠性強，在晴天檢測過程中能實時回存正確的時間和角度數據，消除因季節變化而產生的積累誤差。在陰天時能自動轉動到以前晴天時的位置。即使是在天氣變化比較復雜的情況下，系統也能正常工作，提高了太陽能的利用效率。

[1]張正偉.傳感器原理與應用[M].北京:中央廣播電視大學出版社,1991,4.

[2]梅開鄉.太陽強光自動跟蹤裝置的設計[J].太陽能,2006,(03):26-29.

[3]候長來.一種太陽自動跟蹤裝置的設計[J].儀器儀表用戶,2005,(02):141-143.

[4]孫茵茵,鮑劍斌,王凡.太陽自動跟蹤器的研究[J].機械設計與制造,2005,(07):11-13.

[5]呂海寶.激光光電檢測[M].國防科技大學出版社,2004,1.

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[7]M.J.O'Neill,A.J.McDanal.The 25 kilo watt solar row:a building block for utility-scale concentrator systems[J].25th IEEE PVSC,May 1996,Washington D.C.,pp.1529-1532.

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[9]劉振起.太陽能集能器自動跟蹤裝置[J].節能,2003,9:22-24.

[10]王雪文,王洋,閻軍鋒,趙武,張志勇.太陽能電池板自動跟蹤控制系統的設計[J].西北大學學報(自然科學版),2004,34(2):157-158.