基于8051單片機控制帶自鎖太陽能發電自動跟隨系統*

周玉海，蔣凌帆，申利民

（1.廣州鐵路職業技術學院，廣東廣州 510430；2.惠州小明太陽能投資管理有限公司，廣東惠州 516000）

0 引言

太陽能資源分布廣泛且取之不盡、用之不竭。目前太陽能已不同程度地應用在多個領域，如太陽能發電。太陽能發電無需燃料，不污染空氣、不產生噪聲、取之不盡用之不竭、隨處可得，可就近供電，系統使用壽命可達到25年以上。因此，與風力發電、生物質能發電和核電等新型發電技術相比，光伏發電是一種最具可持續發展理想特征的可再生能源發電技術[1]。

盡管太陽發電能擁有諸多優點，然而在有效利用上存在著明顯不足[2]。理論上單層硅吸收陽光的效率上限可以達33%左右，目前市場上傳統太陽能光伏發電采用固定式光伏板，而地球繞地軸進行自轉的同時又繞太陽公轉所以太陽在天空中相對地球的位置每時每刻都在變化，這樣就造成了太陽能電板不能充分地利用太陽光[3]。只能將接收陽光能量的10%至15%轉化為電能，從而影響了太陽能發電的效率。固定安裝發電系統具有發電效率低、成本高、不宜推廣等缺點，是限制光伏行業推廣應用急需解決的主要問題[4]。

1 太陽能跟蹤系統研究和發展現狀

在光伏發電系統中使用太陽自動跟蹤，能有效地提高太陽能的利用率[5]。國外對于太陽能自動跟蹤系統的研究十分火熱，特別是美國、德國、西班牙等國家，對太陽能利用方面的研究較早[6]。而國內對于該方面的研究起步較晚，技術還不夠成熟。中國科學研究院電工研究所、中國科學技術大學、廣州能源研究所、中山大學太陽能系統研究所、華中科技大學、上海交通大學、南京航空航天大學等[7]，提出液壓式太陽能光伏發電自動跟蹤系統研究與設計、碟式太陽能自動跟蹤系統傳動機構、基于可編程邏輯控制器(PLC)的太陽能電池板自動跟蹤系統等對太陽跟蹤技術研究方案[8]。但其追蹤系統結構復雜、價格昂貴而且存在諸多不穩定因素，遇到陰雨天和刮風惡劣天氣情況下系統容易逆轉從而損壞發電設備造成經濟損失，多數太陽能發電跟蹤裝置在跟蹤精度和智能控制方面存在一些不足[9-10]。

本文作者從實際應用角度出發，設計一種基于單片機的太陽能光伏系統的自動跟蹤式裝置。通過光電傳感器檢測太陽光位置，由單片機按程序驅動電動機使得電池板繞軸旋轉，使其能夠始終正對太陽，同時具備自鎖功能，有效地提高太陽能利用效率。

2 系統組成、工作原理、控制方法

太陽能自動跟蹤系統主要由機械部分、電路硬件部分和驅動組成。機械部分由電動機、齒輪減速器、鏈傳動、帶自鎖的蝸輪蝸桿等機構組成。系統工作時，先由控制系統計算或判斷太陽位置信息，而后輸出控制信號，經過執行機構的具體控制，使工作平臺轉向期望的對準位置，完成對太陽的跟蹤動作。可以驅動太陽能電池板的自動跟隨太陽光線在水平方向角為0°～180°轉動，并且具有自鎖功能；電路部分主要由單片機外圍電路、光電信號轉換電路以及比較電路組成。驅動程序主要是接光電收傳感器的信號并且進行分析處理，根據分析結果驅動電機帶動執行機構工作。

2.1 機械組成

圖1所示為基于單片機控制帶自鎖的太陽能跟隨系統[11]：光伏組合板被固定在光伏板轉動軸上，且光伏板轉動軸由左立柱和右立柱為其提供支撐，通過固定在光伏板轉動軸的大鏈輪轉動，使光伏組合板能夠沿著東西向運動。大鏈輪通過鏈條與小鏈輪連接，該小鏈輪被固定在軸上，且與蝸輪蝸桿機構連接，所述蝸輪蝸桿機構包括蝸輪與蝸桿，蝸桿與減速器的輸出軸連接，減速器的輸入軸通過聯軸器連接電動機，由電動機提供動力。電機通過齒輪傳遞到蝸輪蝸桿，蝸輪蝸桿再由齒輪傳遞到小齒輪上，小齒輪與固定太能板的軸上的大齒輪同鏈條鏈接，使小齒輪上的動能傳遞到固定太陽能板的軸上。蝸輪蝸桿自鎖功能可以實現單行選擇起到對電極和系統的保護作用。而且增加的抗干擾性和安全性，使太能板不易受到風等自然外力的影響而改變自身的運動狀態。對正光源即接收光源的位置與光源垂直，當收集裝置上的第一檢測裝置接收到對正光源并發送指令至控制裝置后，收集裝置停止轉動，所述收集裝置始終自動保持與太陽光源垂直，最大限度吸引太陽能。

2.2 單片機控制電路

單片機驅動電路系統由圖2（a）轉換電路、（b）單片機（新8051）驅動電圖、（c）驅動電路圖、（d）光敏電阻信號比較電路組成。光電傳感器接收光源強度偏差發出信號，再由單片機處理信號源后發出相應的指令讓電機動作。單片機根據預先設計的程序接收到檢測系統給出的光強數據后會自動用上、下光電傳感器給出的數據與中間光電傳感器給出的數據作比較，當上光強大于中時，會控制電機正向轉動；當下光強大于中時，會控制電機逆向轉動；當上、下光強與中光強保持一致時，單片機會讓電機停止動作。從而達到控制電機動作再控制太陽能板朝向的目的。

圖1 太陽能自動追蹤機械系統

圖2 單片機驅動電路系統

2.3 系統控制工藝流程

根據圖1所示，太陽能跟隨系統工作流程包括如下：驅動裝置、傳動裝置、收集裝置、第一檢測裝置、第二檢測裝置和控制裝置。驅動裝置通過傳動裝置和收集裝置傳動連接，控制裝置控制驅動裝置的轉動從而使收集裝置轉動，第一檢測裝置設于所述收集裝置上，第二檢測裝置為至少兩個并與地面呈不同角度設于所述收集裝置一側，第一檢測裝置和第二檢測裝置均與控制裝置電連接。跟隨系統控制方法主要包含以下流程：

（1）開啟所述控制裝置，控制裝置控制收集裝置自動轉動，尋找光源位置；

（2）收集裝置轉動過程中，設于收集裝置上的第一檢測裝置接收到對正光源，同時發送指令至控制裝置，控制裝置記錄收集裝置的角度位置并控制驅動裝置停止驅動，收集裝置停止轉動；

（3）呈不同角度設于所述收集裝置一側的第二檢測裝置中的其中一個第二檢測裝置接收到對正光源，使得收集裝置始終自動保持與太陽光源垂直，最大限度吸引太陽能。該第二檢測裝置發送指令至控制裝置，且控制裝置未接收到第一檢測裝置的指令時，控制裝置將該第二檢測裝置的角度位置與收集裝置的角度位置比較，判斷驅動裝置的正反轉情況并通過驅動裝置驅動收集裝置轉動；

（4）回到步驟（2）進行循環，控制收集裝置始終跟隨光源轉動，解決目前太陽能系統轉換率低的問題。

3 系統特點

系統動力采用步進電機，經過減速器和齒輪傳動給蝸輪蝸桿，再由蝸輪蝸桿傳動齒輪帶動，齒輪再用鏈傳動，帶動軸，使太陽能板轉動。系統具有以下特點：

（1）通過設計多個光電傳感器對光源信號強度進行采集、對比和輸出比較結果。簡化太陽能電池板角度追蹤的數學模型，使得跟蹤效果精確，性能更加可靠。

（2）設計帶自鎖設計蝸輪蝸桿機構，可以防止系統斷電和發電系統自重和風力等外力對跟隨系統的損壞和逆轉，有效保護光伏發電系統的安全。此外大傳動比蝸輪蝸桿（齒數比為20/6），提高輸出扭矩，從而可以實現小功率電機驅動整個系統。

（3）系統采用單片機加外圍電路的模式，可擴展性好，成本低廉，結構緊湊易于推廣。

4 總結

從實際應用角度出發設計基于單片機控制帶自鎖跟隨太陽運動的太陽能發電自動跟蹤控制系統，通過光電傳感器檢測太陽光位置，由單片機按程序驅動電動機使得電池板繞軸旋轉，使其能夠始終正對太陽，有效地提高太陽能利用效率。設計實現基于光敏電阻的光強傳感器、硅光電池以及機械裝置和控制電路。該系統自動化程度高、實用性強、配備蝸輪自鎖結構、成本低廉。經實踐檢驗，采用跟蹤裝置后，電池板的平均輸出能量提高25%以上。對提高光伏發電效率、促進光伏發電的推廣應用具有重要的意義。