基于單片機的雙軸太陽光追蹤器設計

摘 要：太陽能作為一種潔凈的能源，是一種可再生能源，有著化石能源無法比擬的優越性，但太陽能利用效率低，這一問題一直影響和阻礙人們對太陽能的利用，太陽能自動跟蹤系統的設計為解決這一問題提供了新途徑，從而大大提高了人們對太陽能的利用率。本設計采用光電跟蹤的方法，利用步進電機驅動，設計了雙軸獨立自動太陽跟蹤控制系統。通過對跟蹤機構進行水平、垂直兩個自由度的控制，調整太陽能電池板的角度實現對太陽的跟蹤。采用單片機來實現的太陽能追蹤系統能有效提高太陽板的光電轉化效率，并具有較廣泛的應用前景。

關鍵詞：太陽能；跟蹤；光敏二極管；單片機；步進電機

太陽能作為一種清潔的可再生的新型能源，受到了人們的廣泛重視，目前利用太陽發電的方式主要有光伏發電、光熱發電等，它們均為固定安裝，無法根據太陽光的不斷變化，來調整迎光面，做不到太陽光的實時垂直照射，這樣就會使太陽能資源得不到充分利用，所以有必要研究如何最大程度地提高太陽能的利用率。

要提高太陽能的利用率，應從兩個方面入手，一是提高太陽能的接收效率，二是提高太陽能裝置的能量轉換率。其中，太陽能的接收效率與太陽光的照射角度有關，已經有人研究了太陽光角度與太陽能的接收效率的關系，理論分析表明：太陽的非跟蹤與跟蹤，能量的接收率相差37.7%，精確的跟蹤太陽可使太陽能接收裝置的熱效率大為提高，進而可以提高太陽能的利用率。

現階段市場上使用的跟蹤系統有單軸太陽能自動跟蹤器、步進式太陽能自動跟蹤、可自動跟蹤的太陽灶、五像限法太陽自動跟蹤儀、單軸液壓式自動跟蹤、極軸式跟蹤。它們存在結構復雜、跟蹤精度不高、不能全自動跟蹤等不足。

1 設計方案

本設計可使太陽光永遠垂直照射在接收面上，提高了太陽能的吸收率和轉化率，設計結構簡單，成本低廉，單片機控制穩定，能自動跟蹤陽光，最大面積地吸收太陽光能，合理利用了資源。追日性能良好的太陽能電池板雙軸自動追蹤系統，使太陽能電池板在南北、東西兩個方向追蹤太陽，提高太陽能利用率。

本設計主要包過光電轉換電路、AD轉換電路、單片機控制電路、電機驅動電路的設計，首先主要介紹各個模塊的硬件電路，以及機械設計部分原理簡介。

硬件設計流程圖如圖1所示。

（1）光伏傳感器檢測光照強度以及太陽光入射角度；

（2）A/D轉換器完成太陽光檢測信號的采集，并輸出及放大信號的模擬輸入量；

（3）單片機STC89C51接收到信號后，做出指令；

（4）步進電機自動調節接方位至最佳狀態；

（5）步進電機在水平和垂直方向運行調節，太陽能電池板主要將太陽能轉換為電能并輸送給用電器或電池。

1.1 基本系統

單片機的基本系統包括電源、晶振電路和復位電路。

電源是給單片機提供電源5V。

晶振電路由晶振和2個電容所組成，晶振的振蕩頻率直接影響單片機的處理速度，所以采用11.0592M晶振。

1.2 光敏二極管比較電路

本設計對于當前太陽能電池板監測控制系統，研究其優劣點并且加以進行分析。在此基礎上設計能自動旋轉追蹤的太陽能電池板。結合三種太陽能采集方法，實現手自一體化的多模式太陽能采集。在自動運行中該系統具有較高的實時性，運用四象限光敏二極管對太陽能強度進行檢測，使用比較電路（見圖2）進行分析，從而實現實時性的太陽能強度分析。

經過四象限光敏二極管的采集分析后，在單片機中進行比較，根據得出的結果對太陽能電池板的伺服電機進行控制，以實現太陽能電池板X、Y軸方向上的調整。

1.3 按鍵電路

按鍵電路主要功能：1起停按鍵，2、3 X軸控制，4、5 Y軸控制。按鍵電路因按鍵數量不多，所以采用獨立式按鍵。

1.4 步進電機驅動電路

本課題用兩個步進電機來分別控制太陽能電池板的X、Y軸運動，用ULN2803驅動芯片來控制電機的正反轉。

1.5 光電檢測原理

硬件設計中光電檢測是本裝置的主要部分，也是太陽能電池板尋光的主要控制元件，設計中為了使太陽能電池板始終對著太陽則需要四個光敏對陽光強弱進行檢測，如圖3所示，光敏均采用垂直于太陽能電池板板面安裝。

其中光電檢測A對左遠離光線進行檢測，當光線遠離電池板時A檢測會給單片機信號，單片機驅動繼電器控制電機M1正轉使電池板跟隨光線左轉。光電檢測B對右遠離光線進行檢測，當光線遠離電池板時B檢測到并實時傳輸給單片機信號，單片機驅動繼電器控制電機M1反轉使電池板跟隨光線右轉。光電檢測C與D對太陽垂直角度的變化進行檢測，并將檢測到的光線變化信號傳輸給單片機，單片機進行進一步處理后控制繼電器驅動電機M2的正反轉，從而實現電池板垂直角度的調整。

考慮到太陽四季垂直角度變化的速率很小，可以在電池板垂直角度的調整電機M2加個減速箱，使其變化速率也非常小，不至于因變化太快使得光電檢測誤檢，否則會導致電池板在垂直方向不停的擺動。

2 節能效果分析

在現代社會，人們利用太陽能很多時候都要考慮它的節能性、經濟性，具有良好節能效果、價格低廉的產品才能更好地推廣與應用。本項裝置結構原理簡單、成本低廉，具有很好的經濟性，以下主要評估系統的節能效果。中小規模使用的太陽能追蹤器器，規格大于實驗室所用的裝置，以太陽能板長L=5.9m，寬d=1.2m為例，評估這樣實際應用的系統一年可以節約的標準煤耗。

跟蹤裝置應用于新疆地區，日工作時間為8h，發電效率受外界條件干擾較大，年平均追蹤效率取35%，利用跟蹤裝置一年利用的太陽能熱量為：201367/IWm

本項裝置可在較好的精度下工作，通過實驗數據采集與分析，驗證該系統具有較好的集熱效率。通過節能性分析說明，實際應用中的本套裝置節能效果明顯，每年可節約相當可觀的標準煤，對于構建節能低碳型社會具有重大意義。

在當前的條件下發電效率高的太陽能電池必將在市面上有很大影響。太陽能自動追蹤系統，能及時地跟蹤太陽，盡可能地提高太陽能的利用率，在實時性、低功耗方面亦均有所提高，所以我們所設計的太陽能自動跟蹤系統有較好的市場前景和經濟效益。

參考文獻

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作者簡介：陸建章（1991-），男，新疆喀什人，本科，塔里木大學機械電氣化工程學院，農業電氣化與自動化專業，電氣化16-2班學生。