面向太陽能組件的新型日晷式太陽自動跟蹤系統

郭鵬 朱元琪 黃曉雪

摘 要：基于HT66F70A單片機，采取四象限測光原理和傳感器定位方式，設計了一套新型日晷式太陽定位跟蹤系統。該系統優化了光伏太陽能組件的工作過程，運用HT66F70A單片機實現自動跟蹤太陽位置，盡可能使太陽光垂直入射到光伏板上，以獲得最大光伏發電利用率，從而提高光電轉化率并降低光伏板投入成本。同時，結合風速測量功能，使系統具備抗環境干擾功能，提高了太陽能光電轉化利用率，具有廣泛的應用前景。

關鍵詞：日晷;太陽定位跟蹤系統;光伏組件;四象限測光;單片機

中圖分類號：TK513.4 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0034-03

A New Sundial Sun Tracking System for Solar Components

GUO Peng ZHU Yuanqi HUANG Xiaoxue

Abstract： Based on the Single Chip HT66F70A， using a Four Quadrant photometric principle， we designed a novel sundial mode solar positioning tracking system. This system could optimize the working process of PV Module. Through the Single Chip HT66F70A， it could automatically tracking the position of solar， with vertical incidence of solar light， optimizing the photon-to-current conversion efficiency， reduce power generation cost. At the same time， combined wind measurement function， the system was insensitive to environmental disturbance. This system had good prospects for application.

Keywords： sundial;sun tracking system;solar components;four quadrant photometry;MCU

隨著全球對環境、資源等問題的重視，對可再生資源的需求也越來越迫切，新能源的應用已然成為一股潮流，尤其是對太陽能、風能等的利用，已經成為廣泛關注的話題[1-3]。

目前，太陽跟蹤裝置主要分為兩大類，即機械系統和電控系統。當前，國內太陽跟蹤器的研究方向偏向于對光電式太陽跟蹤器的研究，尤其注重對機電一體化雙軸太陽跟蹤器的研究。但是，光電式太陽跟蹤器易受天氣影響，無法時刻跟蹤太陽，使得太陽能轉換效率較低[4，5]。由此，本文提出新型的日晷式太陽定位跟蹤系統，以感知日晷代替感知光來提高太陽定位跟蹤器對環境變化的適應能力[6-8]。該系統的硬件結構能削弱環境因素對信號的干擾，降低感應信號誤差;而對應的單片機程序設計，能增強跟蹤器對環境變化的響應能力，有效避免跟蹤器誤操作和不響應問題[9，10]。

本文設計的新型日晷式太陽定位跟蹤系統是基于HT66F70A單片機控制，結合機電一體化技術的一套運動機構。其突破現行固定的跟蹤系統，使搭載的光伏板實時跟蹤太陽所在位置，獲得垂直入射的太陽光，以獲得最大光伏發電利用率。對于獲取相同發電量的產品，在裝備了本跟蹤系統后，能減小使用光伏板的面積，從而大幅縮減制造成本。

1 系統總體設計

新型日晷式太陽定位跟蹤系統主要由電源模塊、HT66F70A單片機控制模塊、太陽位置檢測模塊、運動跟蹤模塊、限位模塊、晝夜檢測模塊和風向風速檢測模塊組成。系統通過各檢測模塊感知太陽位置，判斷運動方向，并控制驅動電路，從而控制光伏發電系統轉動，實現太陽光垂直入射到光伏板上，獲得最大轉換效率。

系統組成框圖如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊

電源模塊主要由太陽能控制器、開關與蓄電池組成，實現電源管理功能，為其他功能模塊提供工作電壓，提供5V和12V兩種直流電。

2.2 單片機控制模塊

HT66F70A單片機作為整個跟蹤系統的核心部件，滿足實時控制的要求。HT66F70A單片機是16位單片機，內部集成五個計時模組（Timer Module），提供時間測量、輸入捕捉、比對吻合輸出以及PWM與單脈沖輸出等功能。同時，單片機接收限位、晝夜和風向風速等檢測信號，智能排除環境干擾，避免機械卡死和誤運動，并在風速超過一定限值時，自動調整光伏板至順風狀態，以確保系統自身結構不受損壞。

2.3 太陽位置檢測模塊

太陽位置檢測模塊利用四象限原理，在太陽光直射時，陰影不足以遮蓋光敏電阻感光面，四象限光敏二極管保持一致，此時系統獲得最大入射角和最大轉換效率，運動跟蹤模塊靜止;當太陽光斜射時，陰影會偏向一邊，遮蓋住某一象限的光敏電阻感光面，經過比較電路傳給單片機，控制運動跟蹤模塊工作，跟蹤太陽位置，使太陽光直射。

2.4 運動跟蹤模塊

太陽位置檢測模塊計算太陽位置后，通過單片機的輸出引腳發生電平變化，此信號經過放大電路使舵機發生轉動，從而帶動光伏板轉動，實現定位跟蹤。

2.5 限位模塊

限位模塊安裝于系統轉動平臺上，以限制轉動角度在0°～180°，防止出現舵機卡死的現象。

2.6 晝夜檢測模塊

檢測白天與黑夜，為單片機控制模塊提供信號。本系統在黑夜內停止運動，防止誤轉動，以節省電能消耗。

2.7 風向風速檢測模塊

利用單片機的通用定時計數器，對風速脈沖進行定時和計數，通過計算單位時間內的脈沖數計算出風速。風向則是檢測輸入的風向格雷碼，將格雷碼轉換成二進制碼，通過查表的方式求出風向角度，最終確定風向。新型日晷式太陽定位跟蹤系統的主要模塊如圖3所示。

3 系統軟件設計

3.1 HT66F70A單片機外設程序

系統運用HT66F70A單片機的TIM、PWM、IO等外設，編程時先完成外設寄存器的基本配置，實現系統初始化。然后實現東西向舵機運動角度的控制;風速檢測，當檢測風速超過5級風速8m/s，需要恢復平衡位置;日出歸東;實時跟蹤等功能。主要程序分析如下。

3.1.1 舵機驅動程序。舵機轉動的控制，需要通過IO口輸出PWM波形，周期為20ms，脈寬范圍為500～2 500μs，當旋轉角度超過范圍后，取極限值。東西向舵機驅動程序如下：

void driver_ew（long th） {

long i，j;

if（th<=tmin_ew） //取極限值

th=tmin_ew;

if（th>=tmax_ew）

th=tmax_ew;

j=th/10;

pout_ew = 1;

for（i=0;i<j;i++）//控制脈寬

GCC_NOP（）;

pout_ew = 0;

GCC_DELAY（38500）;}

南北向舵機驅動程序與東西向類似，不再重述。

3.1.2 運動方向程序。根據四象測光原理，由對立向的光敏二極管狀態，判斷太陽光入射是否偏向，從而控制轉臺旋轉，東西向旋轉程序如下：

if（！（pin_1 && pin_3））{

GCC_DELAY（20000）;

if（（pin_1==0）&&（pin_3==1））{

tew = tew-10;

if（tew<tmin_ew）

tew=tmin_ew;

driver_ew（tew）; }

if（（pin_1==1）&&（pin_3==0））{

tew = tew+10;

if（tew>tmax_ew）

tew=tmax_ew;

driver_ew（tew）; }}

南北向旋轉程序與東西向類似，不再重述。

3.1.3 風速檢測功能。風速傳感器輸出模擬量，需要經模數轉換后判斷。若檢測風速超過5級風速8m/s，需恢復平衡位置，由傳感器輸出特性（風速與輸出電壓關系）W=V/5×45可得對應電壓約0.89V，故取16次ADC數據和為0x2d00，程序如下：

if（asss>0x2d00）{

driver_sn（1500）;

fwind=1;}

3.2 軟件控制流程

新型日晷式太陽定位跟蹤系統實現實時跟蹤，并使系統具備抗環境干擾功能的控制流程圖如圖4所示。

4 結論

本文設計的新型日晷式太陽定位跟蹤系統主要由電源模塊、HT66F70A單片機控制模塊、太陽位置檢測模塊、運動跟蹤模塊、限位模塊、晝夜檢測模塊和風向風速檢測模塊組成。其通過四象限比較原理判斷太陽方位，驅動舵機轉動，達到實時定位跟蹤的目的。本設計硬件結構和控制程序設計簡單，容易操作，價格低廉，具有跟蹤和自我保護功能，性能穩定可靠，具有較高的應用價值。

參考文獻：

[1]田行，劉立群，葛竹，等.大型陣列式太陽能熱發電定日鏡跟蹤系統設計[J].太原科技大學報，2016（1）：27-31.

[2]Ricardo Guerrero-Lemus，José Manuel Martínez-Duart. Concentrated Solar Power[J].Lecture Notes in Energy，2012（3）：135-151.

[3]施秉旭.基于單片機的太陽能電池板自動跟蹤系統的設計[J].電子技術與軟件工程，2016（3）：262.

[4]任松林.主動式太陽跟蹤及驅動系統研究與設計[D].重慶：重慶大學，2008.

[5]王志偉.西班牙采用聯合投資形式開發太陽能電站[J].中國建設動態（陽光能源），2006（2）：92.

[6]張順心，宋開峰，范順成.基于并聯球面機構的太陽跟蹤裝置研究[J].河北工業大學學報，2003（6）：44-48.

[7]呂文華，賀曉雷，于賀軍，等.全自動太陽跟蹤器的研究與應用[J].光學精密工程，2008（12）：2544-2550.

[8]饒鵬，孫勝利，葉虎勇.兩維程控太陽跟蹤器控制系統的研制[J].控制工程，2004（6）：542-545.

[9]陳維，李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究[J].能源工程，2003（3）：18-21.

[10]劉鑒民.太陽能利用：原理·技術·工程[M].北京：電子工業出版社，2010.