自追蹤太陽能發電設備設計＊

申旋旋，高尚尚，張海濤

（江蘇海洋大學應用技術學院，江蘇連云港 222000）

當今社會發展最不可或缺的能源之一是電能，但是電能的發展、使用在一定程度上對環境造成了不小的影響，每節約一點電能，環境就能少受點污染。為增加電能的儲備，保護環境，針對太陽能光伏發電系統設計的功能和作用，根據地理位置、方向、季節的不斷變動以及一些其他的不利因素，研究了一種低成本、高效率的太陽能光伏發電機構，并且對其作出了自動跟蹤設置優化，使之能夠更好地利用大自然的資源，充分地接收太陽所給予的能量，增進太陽能電池對接收太陽能轉換成電能的發電效率，在設計優化方案中最大限度地利用光能在太陽能模塊上導電。

1 自追蹤太陽能發電的整體結構

本文設計了一種通過控制裝置和驅動器控制的步進電機旋轉達到發電硅板與陽光照射方向近似垂直的機構。該設計包括控制設計、動力設計及結構設計三個方面。控制設計是控制裝置根據當天太陽光照射方向隨時間變化，每隔一段時間（比如半個小時）通過控制兩個電機的旋轉調整發電硅板的位置，以保證其與太陽光近似垂直；動力設計是步進電機和減速器共同作用帶動Z向旋轉軸、X向旋轉軸旋轉；結構設計包含基座、蝸桿、蝸輪、步進電機、聯軸器、減速器、蝸桿、蝸輪、減速器、X向Z向旋轉軸、硅板。整體結構圖如圖1 所示。

圖1 自追蹤系統結構圖

2 自追蹤太陽能發電的硬件及電路設計

整個電路設計包括光電檢測電路、晴陰天判斷電路、晝夜判斷電路、單片機控制電路、時鐘電路、步進電機驅動器電路等。具體來說，光電檢測電路是把光電傳感器的位置固定在太陽板上，太陽板的表面與內置的光敏二極管的工作面平行。其主要功能是對太陽運行的具體方位和實際高度進行測定和判斷。晴陰天判斷的方式是由光電追蹤模式和對太陽角度的追蹤的聯合[1]。光電追蹤模式是對光源較強時作出反應的模式，但是當光源變弱（如陰天下雨等）時，光電追蹤模式就會變得不靈敏，甚至無法識別。而太陽角度追蹤的設計彌補了這個缺陷，無論陰天晴天，太陽的軌跡運行總是不變的，利用公式計算出軌跡路線來實現對太陽的追蹤。晝夜判斷電路很好理解，用于判斷任意時刻所處的時間是白天還是黑夜。單片機控制電路則是用于控制步進電機的運行，由設計的檢測裝置檢測到太陽光線所發出的方位，把收集到的光信號經過系統的內部處理轉變成可識別的電信號，然后把檢測到的信息反饋傳送給單片機，單片機識別到系統的信號后，發出對應的命令指示來操縱步進電機[2]。研究內容中對時間的判斷采取的是時鐘模塊，考慮到與單片機型號相匹配，最終確定時鐘芯片的型號為DS1302。具有讀寫保護位，可以用時序來控制，外界對其的影響較小，質量輕，連線簡單等特點。系統所選取控制步進電機運行的驅動器是SJ-220MA，根據驅動器的功能，步進電機的型號選擇的是57BYGH8404。SJ-220MA 驅動器結構簡單、性能優越、運行穩定，具有頻率高和防干擾[3]，能與選擇的步進電機相匹配。

3 自追蹤太陽能發電的軟件設計

整體設計部分一共有四大板塊，具體有光電追蹤模式、太陽角度固定追蹤模式和時鐘電路模塊。接通電源之后，單片機立即啟動系統的中斷指令程序，等待命令處理；若系統檢測到是白天時，隨即進行第二次檢測，對當天的天氣進行判斷，然后在作出相應的指令。若檢測發現此刻的天氣是處于陰天狀態時，系統就會切換成相對應天氣的模式，即對太陽角度追蹤的模式；若檢測發現此刻的天氣是處于晴天狀態時，系統就會切換成光電追蹤模式，通過光敏二極管的檢測，實時追蹤太陽運行的位置。針對整個追蹤系統，運行流程如圖2 所示。

圖2 系統流程圖

系統采用的是INT0 的高低電位來確定當前時刻是白天還是黑夜，當系統檢測到INT0 的當前電位是低電位時，系統就會立即運行中斷指令，進入休眠狀態。本文采用的是不停的檢測I/O 端口的高低電位，來判斷當天時刻的天氣是晴天還是陰天。因為太陽角度固定追蹤模式的運行程序較多，因此不適合用中斷來判斷[4]。

在光電追蹤模式下，系統首先根據D0 所連接的單片機引腳的高低電位來檢測太陽光線是否照射在了中間的光敏二極管D0 上，如果光敏二極管D0 接收到了光線的照射，此時軟件的設計指令會控制本系統延遲15 min；如果D0 沒有接收到光線的照射，說明光源不在此光敏二極管上，則系統立即作出反應，對其余4 個光敏二極管進行檢測。隨后系統就會發出指令由控制器控制步進電機向相應的方向運動，直到安裝在中間位置的光敏二極管D0 收到了太陽的光線為止。這就達成了光電追蹤太陽的設計。

在太陽角度軌跡追蹤模式下，因為天氣、時間和地點的選擇對該模式不會造成影響，所以只需要通過公式計算出當天每時每刻太陽運行的軌跡，即便是在陰天，也可以對太陽的實際位置進行準確的定位及精確的追蹤，大大地解決了光電傳感器在光線不好的情況下無法運行的問題。

時鐘模塊：要想判斷太陽運行的具體位置，首先得知道當時的時間，因此，筆者們采取了用時鐘芯片DS1302 來記錄時間的方法，有了準確的時間后，對太陽運行的軌跡進行追蹤，就可以把太陽的具體角度算出來了。針對當前時間的判斷，系統的設計采用的是中斷指令，在黑夜的基礎上，如果INT0 呈現低電位，系統立即作出反應，即運行中斷程序，此時兩個步進電機進入等待狀態。

4 小結

本文所論述的系統首先進行的是晝夜檢測，其次是檢測天氣的好壞，來判斷是運行光電追蹤模式還是太陽角度軌跡固定追蹤模式，最后通過引腳反饋給單片機，在由單片機發出指令信號，控制步進電機，電機帶動設計好的特殊結構，使硅板實時地追蹤太陽。單片機作為系統的核心，此單片機功能強大，結構簡單，完全可以滿足系統所需的功能。對結構的設計是采用水平和豎直的雙向追蹤設計，大大增加了太陽板運行的靈活性，提高了采集陽光的效率。

當然，本文所設計的系統還有一些不足之處。例如，有大風天氣時，系統的結構是否能抵擋得住，能否保持系統正常運行；若雨水打濕了系統，會不會短路，造成系統故障等。