MCS—51主控的太陽能跟蹤系統整體設計

嚴峻

摘 要：近十年來，太陽能光伏發電產業發展迅速，是被業界一致最為看好的清潔能源產業之一。太陽光照在地球上的角度時刻都在變化，為取得高效的太陽能發電，必須確保太陽能電池板時刻正對太陽。本文采用了光電檢測追蹤與角度追蹤相結合的太陽能跟蹤方式，設計了一款基于MCS-51單片機控制的雙軸太陽能跟蹤系統。

關鍵詞：51MCU；光伏發電；太陽能跟蹤系統

1 太陽能跟蹤方式的選擇

太陽能的接收裝置種類繁多，但萬變不離其宗，幾乎所有的太陽能接收裝置都是被動接收。因此，為了充分利用太陽能，需解決的核心問題就是增加日照時常和提高吸收效率。當前應用較為廣泛的電子類太陽光追蹤法主要有兩種：一是光電檢測追蹤法；二是角度追蹤法。這兩種方法各有所長，法一顯然更加準確，但陰天或有云層遮擋時會有不穩定和無休止空耗的狀態，法二按照預設狀態運行，顯然工作狀態簡單，但是準確度無法一高。因此，本論文擬將這兩種方式相結合，來實現更合理高效的太陽能追蹤系統的設計。

下面對太陽角度的相關計算做一個簡單的說明。

地球繞地軸自西向東旋轉，自轉一周即為一晝夜，24h，地球每小時自轉15°。地球除了自轉以外，還繞太陽循著稱為黃道的橢圓形軌道運行，稱為公轉。公轉周期為1年（實際為365天6時6分9秒）。地球繞太陽運行的示意圖如圖1所示。

由于地球自轉和繞太陽公轉的共同作用，才會使地球上有四季更迭和晝夜交替。地球的自轉軸與公轉運行的軌道面的交角稱為“黃赤交角”，約為 23?26?。如果地面的觀察者位于地球的北半球中緯度地區，即我國所處的地理位置，就可以用數學的語言對地日運動作出以下描述。

與赤道平面平行的平面與地球的交線稱為地球的緯度。通常將太陽直射點的緯度（即太陽中心與地心的連線）與赤道平面的夾角稱為赤緯角。

太陽相對于地球的位置可由太陽高度角α和太陽方位角β來確定。太陽高度角α是指太陽光線與地表水平面之間的夾角（0 ≤α≤90°）。

通過上面公式，只要經緯度和當前時間確定，就可以根據固定公式計算出此時此地的太陽高度角和方位角，由于每一個地理位置的經緯度都是唯一的，故在軟件設計的程序中，把當地的經緯度設置為常量，而當前時間的確定是通過掃描時鐘芯片的時鐘周期得到，這樣就可以通過預先給定的函數公式計算出每時每刻的當地對應的太陽高度角和方位角的值了。

2 太陽能跟蹤系統的設計目標

由于地球的自轉和繞太陽公轉，處在地球表面的任一地理位置，太陽光線的照射方向都在時刻變化。同時由于風雨雷電等自然因素的存在，也時刻影響著當前位置的太陽光照射情況。因此，哪怕是同一地理位置點，每年的同一天的相同時刻太陽光的照射情況也不可能完全相同。所以，太陽能跟蹤系統的設計目標是保持太陽光接收裝置的接收表面時刻與太陽光的入射角度相垂直，從而提高太陽能的利用效率。

3 太陽能跟蹤系統的總體設計思路

本文設計的太陽能跟蹤系統是要在各種自然條件下均可合理、正常、高效的工作。通過查閱相關的資料，設計總體思路如下：

首先，通過前端太陽光接收裝置的光電檢測元件對當前時刻是白天還是黑夜做出初判，若為白天，就執行后續設定的程序；若為黑夜，則中斷觸發，系統響應中斷，執行中斷函數，使得CPU處于待機的休眠狀態，降低能耗，等待白天的來臨。

其次，若初判為白天，再次對太陽光的強弱進行判斷：是晴朗的有強烈太陽光的天氣，還是陰云密布的太陽光微弱的天氣。根據陽光的強弱選擇不同的跟蹤方法；晴天時采用光電跟蹤法，陰天時采用太陽光角度跟蹤法。最后，根據對前端傳感器信息的分析判斷處理，按預設的算法運行，最終驅動機械傳動裝置—兩個步進電機的轉動，從而帶動太陽光接收裝置的轉動，實現太陽光的實時跟蹤。整體設計開發流程如圖2 所示。

4 太陽能跟蹤系統的總體設計方案

根據前篇太陽能跟蹤系統的設計思路，在經過多方的查閱資料，作者得出了以下設計方案：

前端的太陽能接收裝置利用光敏二極管構成比較電路，實現晝夜檢測初判，若為白天，執行后續步驟；若為黑夜則觸發中斷，系統進入待機睡眠狀態，降低能耗，等待白天的到來。

若檢測初判為白天，仍然利用光電二極管構成的電路判斷太陽光的強弱。晴天太陽光強烈時采用光電檢測法，陰天太陽光微弱時采用角度追蹤法。

在角度追蹤方式中用串行實時時鐘芯片組成時鐘電路，確定當前時間，從而根據已設定函數確定當時當地太陽角度相關參數值。

機械裝置采用蝸輪蝸桿機構，使太陽光接收裝置能夠水平豎直雙軸旋轉。

整個系統使用AT89S51單片機為內核。其中軟件設計的程序采用C51編寫。

系統算法流程圖如圖 3所示：

5 結語

基于MCS-51單片機的太陽能跟蹤系統，采用光電檢測追蹤與角度追蹤相結合的太陽能跟蹤方式，使用AT89S51單片機為控制內核，使用電機帶動雙軸實現360°無死角旋轉，能夠實現低成本、高精度、高穩定性的跟蹤效果。

參考文獻

[1]王東嬌，朱林泉，薛忠晉.太陽能獨立光伏發電系統控制系統的研究與設計[J].山西電子技術，2010，（2）：78-79.

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