太陽光強檢測定位的研究與應用

【摘要】為了提高太陽能的利用率，使檢測到的光強始終趨向最大值，本系統采用TSL2561傳感器進行光強檢測，并根據光強值來分區域判斷太陽光的位置，進而由PLC控制二維電機進行自動跟蹤定位太陽光最強的位置，此方案在使用模擬光源的實驗研究中取得較穩定和可靠的跟蹤效果。

【關鍵詞】太陽能;光強檢測;二維追蹤;單片機控制

1.引言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發展前景非常廣闊，已經和風能成為各國競相開發的綠色能源。但太陽能存在著密度低、間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，如果能始終保持太陽板和光照的垂直，使其最大化的接受太陽能，則能充分利用豐富的太陽能資源，故能實時精確的跟蹤太陽的位置是達到充分利用太陽能資源的關鍵點之一。

由于太陽能的時變性，太陽光強檢測不僅與外界光照強度相關，還受天氣氣候、溫度等環境因素影響，呈非線性特征，因此如何提高光強檢測的精度，在太陽能跟蹤系統中尤為重要。光強檢測技術已成世界各國研究熱點，根據其選取的光敏元件材質的不同、放置傳感器的方式不同、檢測電路的不同及控制電路的不同，導致的控制效果也不盡相同，實現過程也大有區別。本文將介紹通過太陽光強的精確檢測實現二維的太陽能跟蹤系統。本系統主要由模擬光源、太陽能電池板、二維旋轉支架、光強檢測傳感器、限位開關等部分組成。

2.系統設計結構

本系統采用4個1000W鹵素燈模擬太陽光源，單片機通過太陽能電池板上的光學傳感器采集模擬太陽的位置信息，根據位置信息進行分析并將數據傳輸給PLC，PLC進行判斷和控制太陽能電池板下方的二維電機進行自動跟蹤動作。系統的結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

圖2 光強檢測模塊電路圖

其中光強檢測部分是以Atmaga8單片機作為光強檢測的控制中心，通過TSL2561光強傳感器[1]對太陽能電池板的光強進行采集，光強檢測模塊能夠采集精確的光強值，單片機通過讀取到的光強值比較來判斷太陽光最強的位置，然后將數據傳輸到PLC，根據相應的結果進行步進電機的控制，步進電機又帶動二維跟蹤支架作相應的仰俯或順逆動作，從而使太陽能電池板自動跟蹤定位到太陽光最強的位置[2]，充分利用太陽能。

3.光強檢測模塊設計

模塊電路圖如圖2所示，本系統中采用TSL2561光強檢測傳感器對光強進行采集，TSL2561是一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光強檢測芯片，它將光強轉換成數字信號輸出，具有直接I2C接口，并可編程配置允許的光強度上下閾值，當實際光照度超過該閾值時給出中斷信號。圖2中采用AMS1117正向低壓降穩壓器來產生3.3V的電壓，為TSL2561提供電源，其中TSL2561的5腳作為中斷信號的輸出引腳，4腳和6腳作為I2C總線的時鐘和數據傳輸引腳。

4.系統的軟件設計

本系統設計是將光強分為三個區域，這里用Luxa、Luxb、Luxc進行劃分光強區域，如圖3所示。

圖3 光強區域劃分

（a）系統流程圖上部

（b）系統流程圖中部

（c）系統流程圖下部

圖4 系統流程圖

其中Luxalt;Luxblt;Luxc。（1）首先系統進行仰方向運行，通過檢測光強變化判斷定位方向是否正確。（2）在Luxlt;Luxc，當光強增大，繼續執行仰運行，當光強持續減小，則改變運行方向，進行俯運行定位，當光強進入區域Luxgt;Luxc，即默認已經進入小范圍追蹤區域，切換追蹤模式。（3）小范圍區域追蹤通過系統正反運行檢測實現，通過找到光強最大點區域，則停止追蹤，進入第4步。（4）啟動第二維追蹤，進行順逆運行。系統流程圖如圖4所示。由于在順逆轉二維電機存在電線出現纏繞的事故，所以后期需要增加在水平運行方向的限位開關，為防止這種安全隱患的發生，也需要增加相應的限位裝置。而關于模擬冬至以及夏至太陽緯度的問題，可通過人為先調整好正確的俯仰角度，然后啟動自動追蹤之后通過只判斷一個方向上（順逆）的光強強度來進行二維電機的控制。這樣不僅能簡化程序的目的，而且能提高系統的穩定性以及可靠性。

5.結論

本文利用光電傳感器進行光強檢測后，通過對檢測到光強進行區域劃分來判斷和控制二維電機的動作，這種分區域的方式不僅優化了判斷方法，也使得電機的動作更準確和穩定，而不是盲目的反復動作，從而可以達到快速的定位太陽能光強最大的位置，也就是太陽光直射到太陽能電池板。該設計在目前正在實驗階段的光伏發電系統的中已采用并長時間運行，效果良好，具有較強的實用性和可靠性。

參考文獻

[1]江連祥，汪小燕.基于光強傳感器TSL256x的感測系統設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2006（12）：43-45.

[2]崔容強，趙春江，吳達成.并網型太陽能光伏發電系統[M].北京：化學工業出版社，2007，7：29-63.

作者簡介：張蘭（1984—），湖北武漢人，助教，現就職于漢口學院。