太阳能自动跟踪系统的设计与实践

广西电力职业技术学院 陈国庆 韦 抒 李 捷

太阳能自动跟踪系统的设计与实践

广西电力职业技术学院 陈国庆 韦 抒 李 捷

太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点，但是太阳能又存在着低密度、间歇性、空间分布不断变化的缺点，本文设计一种太阳能自动跟踪系统，其能根据太阳相对地球运动轨迹的规律，控制太阳能板自动实时跟踪太阳方位，保持太阳能电池板始终与太阳入射光线垂直，从而保持较高的太阳能利用率。本文重点叙述太阳能自动跟踪控制系统的硬件与软件设计与实践的内容。

太阳能；自动跟踪；GPS；单片机

1.引言

传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能够改变人类的能源结构，维持长远的可持续发展。太阳能和风能以其独有的优势而成为人们重视的焦点。近几年国际上光伏发电快速发展，2007年全球太阳能新装容量达2826MWp。2008年全球光伏市场增至5.5GW，全球太阳能安装总量已累计达15GW。日本政府2008年11月发布了“太阳能发电普及行动计划”，确定太阳能发电量到2030年的发展目标是要达到2005年的40倍。2008年9月16日，美国参议院通过了一揽子减税计划，其中将光伏行业的减税政策（ITC）续延2-6年。太阳能光伏发电和风电在我国是一个新兴事物，光伏产业让国内企业看到了机遇，而且该产业的发展需要大量的人才为之服务，这吸引了广大高等院校的目光，我院在这方面也应该抓住机遇，进行相应的基础研究和应用开发，为开设相关的专业做准备，具有很强的现实意义。地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题。同时，太阳能也是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。但是，太阳能的利用有它的缺点：一是能流密度较低，日照较好的，地面上1平方米的面积所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。二是受大气影响较大，给使用带来不少困难。

本文设计一种基于GPS定位及太阳方位计算的的太阳自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳的运动，保证太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，提高设备的能量利用率。与此同时加以风力发电机辅助发电给蓄电池充电，进而在夜间给路灯提供电源。

2.太阳能自动跟踪系统硬件设计

2.1 太阳能自动跟踪系统的机械构成及工作原理

太阳能自动跟踪系统的机械结构由太阳能电池板、减速电机、齿轮传动机构、基座等构成。基座主要支撑和固定太阳能自动跟踪器。当太阳照射角度发生变化时，垂直方向（Y）和水平方向(X)的减速电机就会相应的通电转动，通过齿轮机构传动使太阳能电池板始终与太阳光线垂直，即获取到最大的太阳光照能量。整个装置由机械部分和控制部分组成。机械部分主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等如图1所示。主要实现根据控制电路控制信号执行相应跟踪动作等。

2.2 控制部分

主要由GPS接收、辅助光传感器、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用GPS模块获取当地的时间日期等信息，用以计算实时的太阳方位，进而实现对太阳的根中同时借助辅助光传感器检测光照强度，在光强较弱时关闭系统以节约能源。驱动直流电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。整机系统如图2所示。

其中，核心部分是太阳能自动跟踪装置如图3所示，利用GPS全球卫星定位系统获取装置安装地点的经纬度、时间、日期等信息，根据太阳轨迹公式计算出太阳相对装置的方位，用以驱动太阳能电池板对准太阳，保持太阳光线时刻与太阳能电池板垂直，使太阳能利用率达到最高。与此同时，辅以光敏元件检测光照强度，在光照不强的阴雨天气等时候关闭机械驱动以节省电源。整个系统安装方便，只需确保安装位置水平，以及对准南北方向即可，系统开启即自动检测并校准机械驱动速度。并且系统信息可以通过无线方式远程传输到终端上，可以通过终端远程随时查看系统运行状态。

其中，太阳电池板、风力发电机提供整机的全部电力输入。白天主控制器控制将太阳能电池板以及风力发电机提供的电量给蓄电池充电。晚上，主控制器按照设定方式点亮LED路灯，若是夜间风力足够，风力发电机可以同时提供路灯及蓄电池充电的电源。

GPS模块输出标准NMEA协议报文，一帧完整的报文数据如下：

利用51单片机接收报文，解析出时间、日期、经纬度等信息，据此计算出太阳方位，控制驱动器对准太阳方位，并且监控驱动器工作状态，防止电机堵转等情况时继续供电损坏电机及驱动器。

2.3 主控制器

采用STC公司的产品STC5A60S2，内部带有60K flash空间以及1280字节ram空间确保GPS解析及太阳方位计算的可靠运行，同时带有AD功能，可直接通过光敏电阻检测环境光线而不必另外增加adc转换芯片。其引脚功能如图4所示。

GPS接收部分采用了C3-370C模块，直接输出串口NMEA报文数据，极大地简化了单片机的工作。如图5所示：

从内部结构图可以看出，模块带有备份电池以及实时时钟，可以极大地加快热启动的寻星定位速度。

2.4 太阳自动跟踪部分主控制电路原理图(图6)

直流电机驱动部分采用L298双H桥驱动器，L298外形及引脚功能如图7所示。

2.5 电机驱动部分实际电路(图8)

2.6 电机堵转检测电路

机械装置置于室外工作，日晒雨淋时间长了容易发生故障，例如电机堵转等，为防止电机堵转时驱动器继续供电导致电机或者驱动器损坏，设计了电机堵转检测电路，如图9：

远程检测终端部分，便于无线远程监控系统的运行状态，电路如下(图10、图11)：主控制器采用了Atmel公司的产品AT89C51，基本功能与STC5A60S2相似，不再重复介绍。终端采用nokia5110液晶显示器显示信息，显示内容丰富，功耗低。并且根据主机传来的时间信息，智能控制液晶背光开关，只在夜间开启，进一步节省能源。

2.7 远程终端整机电路（图12）

3.太阳能自动跟踪系统软件设计

4.太阳能自动跟踪系统经济效益分析

中国太阳能资源非常丰富，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。2009年3月23日，财政部、住房和城乡建设部出台《关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见》，并出台了《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，决定有条件地对部分光伏建筑进行每瓦最多20元人民币的补贴。2009年7月21日财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正式启动金太阳示范工程，三部门联合印发了《关于实施金太阳示范工程的通知》，决定综合采取财政补助、科技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在2-3年内，采取财政补助方式支持不低于500兆瓦的光伏发电示范项目。可见，在我国政府强有力的政策引导下，中国的太阳能光伏发电市场已经开始启动。

我们设计的该产品具有省略电缆铺设投资，维护费用低的优点。其相关费用计算如下：

（1）市电路灯每年费用

原来市电路灯100盏x500w=总功率50000瓦，每天照明12个小时等于一天耗电600度电，每年计算总耗电量为219000度电；219000度电x 1.5元=32.8万元的电费；

（2）太阳能照明系统费用

一次投资改造后，平时不需要保养维护及其它费用，每年可节约32.8万余元电费；太阳能电池板、风力发电机等主要部件使用寿命为15年到20年，LED照明灯10年以上使用；铅酸蓄电池使用寿命为3-5年。

图1 太阳能自动跟踪系统的机械设计实物图

图2 整机拓扑图

图3 太阳自动跟踪部分拓扑图

图4 STC12C5A60S2引脚功能

（3）改造10盏灯使用15年之比较

图5 C3-370C GPS模块内部框图

图6 太阳自动跟踪控制部分

图7 L298引脚功能

图8 太阳自动跟踪电机驱动部分

表1 10盏灯使用15年之比较表

经过改造后10盏灯15年就可节省开支444030元，随着常规能源的价格不断升高，常规能源的价格有进一步升高趋势，其经济效益收益是十分显著的。

本项目的预期目标之二是社会效益。风能太阳能互补路灯处处体现了现代化建设美化环境、保护环境的理念。安装风能太阳能互补路灯，迎风飞转的风车不仅可以给道路一种动感的点缀，而且更能突显我国人民崇尚环保、重视节能和跟踪高新技术的理念。能向广大师生和社会群众进行新能源利用和生态环保知识的直观教育，其社会效益更是远远无法用金钱衡量的。

图9 太阳自动跟踪电机堵转检测部分

图10 NOKIA5110液晶显示器

图11 RF 315M无线接收模块

图12 远程检测终端电路

图13 自动跟装置软件流程图

5.结束语

针对设计实验中发现的问题，总结可以改进的方面如下：

（1）加强系统机械强度，进一步增强实际使用的可靠性。

（2）考虑机械部件防雨雪、冰冻情况。

（3）优化路灯开关程序，进一步提高节能水平。

（4）针对太阳自动跟踪装置基于视日运动规律要求机械部件精度高，不能实时检测发现误差的特点，增加光电传感器跟踪校正，综合各自优点，可以大大减小视日运动规律方式的局限性。

本项目介绍的太阳能-风能互补发电储能路灯控制系统可以有效地提高太阳能利用率，并且综合利用了风能，智能控制路灯开启与关闭，有效提高太阳能、风能等清洁能源的利用率，结构安全可靠。经过试验、测试和实际使用，各项指标均达到了设计要求。本系统设计的太阳自动跟踪装置是基于视日运动规律，为使系统具有更高的跟踪精度，可进一步采用光电传感器跟踪校正，构成由视日运动规律跟踪和传感器跟踪的混合跟踪系统。随着太阳能自动跟踪装置的广泛应用，它定会有助于提高绿色能源利用的进程，为环境保护和提高人民的生活质量做出更大的贡献。

[1]张文涛.基于PLC的太阳能自动跟踪系统的设计与实现[J].制造业自动化,2010-3.

[2]尤金正,邹丽新,周同,王海燕,杜伟巍.太阳自动跟踪系统的设计[J].现代电子技术,2009-11.

[3]边文俊.边疆家用太阳能电池板自动跟踪太阳光系统设计与应用[J].阴山学刊(自然科学),2011(01).

[4]王青直,徐进.基于PSD传感器太阳自动跟踪系统的研究与实现[J].自动化技术,2007-10.

本文为“风能与太阳能路灯系统的开发应用”项目的阶段性成果。

陈国庆（1964—），男，广东兴宁人，大学本科，工学学士，讲师，高级技师，广西电力职业技术学院电子与信息工程系副主任，主要研究方向：电气自动化及节能技术。

韦抒（1960—），男，广西贵港人，广西电力职业技术学院副教授，研究方向：自动控制系统及应用。

李捷（1978—），男，广西南宁人，硕士研究生，广西电力职业技术学院电子与信息工程系讲师，主要研究方向：电子信息技术。