基于单片机的双轴光伏寻日系统设计

张晖

（南通航运职业技术学院 江苏 南通 226010）

能源是促进经济发展和社会进步的原动力，从工业革命以来，人类所使用的主要能源为石化能源，然而其蕴藏量有限，大量的使用会造成全球环境生态和气候产生很大的变化，而太阳能是一种取之不尽、用之不竭并且无污染的清洁能源，随着人类对能源的使用从常规能源向可再生能源转移，太阳能则成为人类理想的替代能源。而目前的太阳能发电效率普遍都不高，所以如何增加太阳能发电系统的发电效率是值得研究的。

使用太阳跟踪技术，使光伏电池板始终面向光强最强的方向，可以很好的提高光伏发电系统的发电效率，据研究表明，具有双轴式光伏寻日跟踪系统的光伏发电系统，其发电效率比固定无跟踪发电系统的效率提高40%左右，文中研究的是基于AT89S52单片机的光伏双轴跟踪系统设计。

1 系统总体设计

寻日系统光伏板跟踪方式有光控和时控两种，光控方式是使用光强传感器，根据光线的强弱判断太阳的位置，然后驱动电机转动支架进行跟踪；时控方式是根据经纬坐标，利用计算公式计算太阳的位置并进行跟踪。本系统采用时控与光控互补结合控制的方式，光线较强时采用双轴跟踪传感器进行跟踪控制，光线较弱时采用时控方式根据经纬度与时间进行跟踪控制。系统总体结构图如图1所示。

图1 系统总体结构图Fig.1 System structure frame

本系统包括双轴跟踪传感器、风速传感器、水平电机、俯仰电机、LCD显示、按键手动输入调节、时钟芯片、AT89S52单片机以及相应的外围电路等。光伏装置有两个自由度。控制机构通过水平电机和俯仰电机对水平方向与垂直方向进行调整，控制装置的位置将由双轴跟踪传感器对其位置进行反馈，由控制系统对调整是否到位进行判断。时钟芯片的初始时间由按键输入，以便采用时控方式。

2 系统硬件电路设计

从寻日系统的功能、成本、接口电路等方面综合考虑，本系统采用ATMEL公司的AT89S52单片机为控制核心，该单片机具有8 kB的Flash ROM和256 kB的RAM，支持ISP下载功能，支持空闲、掉电两种可选节电模式。在系统结构上，由传感器模块、显示模块、输出模块和电机驱动模块4部分构成。

2.1 传感器模块及接口设计

1）双轴跟踪传感器

双轴跟踪传感器是由上遮光板、侧遮光板、光敏传感器、底座组成，外观与结构图见图2所示。传感器安装在光伏板上，传感器中4个光敏电阻用来检测太阳相对光伏板的相对位置，若传感器没有正对着太阳，由于遮光板的遮光作用，会引起光敏电阻的阻值发生变化，电阻的偏差被送入驱动电路中，电路里产生相应的控制信号控制电机，从而导致光伏板发生旋转，最终达到与太阳正对的方向。

图2 双轴跟踪传感器结构图Fig.2 Diagram of the two-axe solar tracking sensor

双轴跟踪传感器控制电路也包括两个电压比较器，光敏电阻RT1、RT2是一种电阻值随着光照强度发生变化的的电阻，当阳光直射时，两个光敏电阻的阻值相同，运算放大器LM358的同相输入端和反相输入端的电压差为0，此时单片机上无输入；若阳光不处于直射位置，则两个光敏电阻RT1和RT2的阻值不相同，LM358的两端会产生电压差，由于运算放大器处于开环状态，因此会给单片机发出控制指令0或1，从而控制电机向某一方向旋转。其基本原理如图3所示。

图3 双轴跟踪传感器原理图Fig.3 Schematic of the two-axe solar tracking sensor

2）风速传感器

风速传感器用于检测当前风速，当在台风天气中，风速超过预设值时，控制系统使太阳能电池板处于水平位置，从而减小受风面积，避免太阳能装置因风力过大而受损。风速传感器的型号为FC-2A3，输出为0～5 V的电压，测量风速范围0～30 m/s。传感器的信号经过A/D转换后送入单片机，A/D转换器选用TLC0831，是8位逐次逼近电压型A/D转换器，支持单信道输入串口输出，极性设置固定，不需寻址，其内部有一采样数据比较器将输入的摸拟信号微分比较后转换为数字信号。模拟电压采用差分输入方式有利于抑制共摸信号，减少或消除转换的偏移误差。电压基准输入可调，使小范围摸拟电压信号转化时的分辨率更高。由标准移位寄存器或微处理器将时间变化的数字信号分配到串口输出，当IN-接地时为单端工作，此时IN+为输入，也可将信号差分后输入到N+与N-之间，此时器件处于双端工作状态。其电路设计如图4所示。

图4 A/D转换电路Fig.4 Circuit of A/D converter

2.2 电机驱动电路设计

在本寻日系统中，驱动俯仰机构和水平机构转动的电机为24 V直流永磁电动机，太阳能电池板水平方向和俯仰角的调整，需要驱动电机能够具有2个相反的运动方向，在本系统电路中，通过继电器改变电流的方向，从而使电机能够反向转动，为了控制好电池板的调整速度，机构中加上了减速装置，其电气图如图5和图6所示。

图5 直流驱动电动机主电路Fig.5 Main circuit of DC motor

图6 单片机继电器驱动电路图Fig.6 Relay driver for MCU

3 控制策略及程序设计

3.1 太阳运行轨迹的计算

要实现对太阳的跟踪，需要知道某一时刻某一位置，太阳的高度角αs和方位角γs。太阳运行轨迹即太阳相对于地球的位置，可用两种坐标系来描述：赤道坐标系和地平坐标系。

赤道坐标系是指太阳相对地球的位置是相对赤道平面而言，用赤纬角δ和时角ω来表示，赤纬角可用Cooper方程近似计算，即：

式中，n为一年中的日期序号，如元旦为n=1，12月31日为n=365。时角ω的数值等于离正午的时间（小时）乘以15°，上午为负，下午为正。

太阳高度角 αs、天顶角 θz和纬度 φ、赤纬角 δ、时角 ω 的关系为：

方位角 γs与赤纬角 δ、高度角 αs、纬度 φ 及时角 ω 的关系为：

3.2 控制系统流程图

控制系统的总体流程图如图7所示。系统启动后，需要使用按键手动输入参数，包括当地经度、纬度及时间（采用24小时制）。若室外风力在5级以下，则将光伏板进行寻日跟踪，否则将驱动水平电机，将光伏板设置成水平方向，防止因风力过大而损坏光伏板。在寻日过程中，若室外天气晴朗，则采用光控方式，利用双轴跟踪传感器对光照最强的位置进行跟踪，若室外为阴天，则通过经纬度及时间计算太阳的高度角及方位角，通过时控方式对太阳进行跟踪，若光照强度过低，则将光伏板水平放置。

图7 控制系统流程图Fig.7 Flow char of system program

4 实验测试结果

本系统主要为提高光伏发电系统的发电量而设计，在测试时，选用了两块参数相同的光伏板，一块光伏板采用最佳倾斜角度进行固定安装，另一块光伏板安装本双轴光伏寻日系统，其对比数据如图8所示。

图8 固定式与跟踪式光伏组件某日发电功率跟踪对比曲线Fig.8 Output power contrast by fixed and tracking PV module during one day

5 结束语

基于单片机的双轴光伏寻日系统以AT89S52[8]单片机为核心，能够根据天气状况自动选择寻日跟踪方式，性能稳定，跟踪经度高，安装方便，价格低廉，能够有效的提高光伏发电系统的发电量，可适用于光伏交通警示灯、小型光伏电站等光伏发电系统中。

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