新型太阳能跟踪器控制研究

摘 要：太阳能作为一种清洁无污染的能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，我国太阳能资源十分丰富，但目前利用的还不够充分，这种现状的形成有各种各样的原因，其中关键的一个因素是目前多数太阳能电池板都是固定的，而太阳光又存在着光照的间歇性、空间分布不断变化的特点，这就导致了太阳能电池板不能跟随太阳运动，不能最大限度的吸收太阳光的能量，使太阳能的转换效率偏低。

关键词：太阳能；跟踪器；传感器；高度角；方位角

0前言

太阳能跟踪控制器是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳能电池板能垂直照射的机械动力装置，能够显著提高太阳能光伏器件的发电利用率。现有的太阳能跟踪技术一般有两种实现途径，一种是以光电传感器来检测太阳高度角和方位角进行控制的闭环控制，闭环控制的优点是跟踪灵敏度比较高；缺点是光电传感器的敏感元件在检测太阳光的过程中受天气情况和环境中杂散光线的影响比较大，容易引起误动作，从而导致跟踪装置无法对准太阳，很难保证跟踪的稳定性和精确性。

另外一种是使用天文学公式，根据当地经纬度和时间计算出太阳高度角和方位角，进而确定太阳运动轨迹的开环控制，天体运行的计算需要运用到大量的浮点、三角、反三角等复杂的运算，要保证计算的精度，普通的单片机需要耗费大量的时间，不能实时的计算。开环控制的优点是太阳运动轨迹不受外界天气状况、环境杂散光的干扰，具有较高的可靠性；缺点是在计算太阳角度的过程中因为真太阳日和平太阳日的区别会产生累积误差，而且因开环控制方式无法进行误差修正，会造成误差的不断积累，从而影响跟踪精度和准确性。

综上两种控制方案，目前使用的太阳能跟踪方式各有优缺点，而且现有的太阳自动跟踪系统还不够完善，不能显著提高太阳能接收利用率，很难在太阳能发电行业中推广应用。

本设计的目的是有效的把两种方案结合起来，软件算法是根据天体的运行规律来计算太阳的高度角和方位角，控制太阳能跟踪器的水平角和俯仰角的范围，传感器检测控制是由精密的四象限传感器检测电路来实现，在软件算法计算的水平角和俯仰角移动的范围内搜索，精确的跟踪太阳光信号的最强点，提高太阳光能的利用率。这样既克服天气等自然因素的影响，又能解决累积误差的修正问题，同时考虑系统结构优化、降低成本、算法精确等问题，使太阳能跟踪器跟踪效果最优。

1 控制系统研究的步骤

（1）做出模拟太阳能电池板自动跟踪系统模型；

（2）以单片机为控制器，设计太阳能跟踪器，完成硬件和软件设计；

（3）关键技术解决以光电传感器为检测的闭环控制和以日地运行规律为跟踪轨迹的开环控制，实现两种方案的融合和优化；

（4）完成模拟调试。

2 控制系统工艺流程

基于单片机的双轴伺服太阳能跟踪器控制系统设计主要实现的功能和达到的要求如下：

1）做一个系统实验模型，主要包括模拟电池板、可二自由度旋转的双轴、带减速装置的电机、齿轮、轴承、框架等零件，把这零件装配在一起，可以实现双轴的运动。

2）设计一个单片机控制器，该控制器的硬件包括单片机最小系统、昼夜传感器检测电路、方位检测电路、带减速器的电机驱动电路、减速器的限位电路、时钟电路、键盘显示电路、蜂鸣器电路等。

3）设计该控制器的两种控制算法，一种是以光电传感器为检测元件的开环控制，一种是以当地经纬度和时间为参数来计算太阳运行轨迹的闭环控制。

4）整个控制器可以在每天太阳升起时自动跟踪太阳运转，在阴雨天停转，可以用键盘调整经纬度和时间，并在液晶显示屏上显示。

5）系统在横轴方向实现仰俯运动，在纵轴方向实现东西运动，仰俯运动有正反向限位，东西运动有初始位置检测。

6）系统每天可自动回到初始位置，自动调节每天的角度，也可手动调节系统运动的累积误差。

7）实现系统模拟调试，逐个电路调试程序，在各个电路功能都实现的前提下，整体调试，实现预定目标。

8）在完成初步功能的基础上，可在后期优化系统结构，降低系统成本，使控制算法可行且最优。

3 控制方案设计

该方案选择了STC12C5A60S2作为核心控制芯片，系统外接4x4键盘和LCD显示器，使系统具有良好的人机交互界面，可以方便地通过键盘对系统进行信息输入和调整；通过外部精确的时钟电路，能够保证时间的精确性，从而使系统在时间控制模式下的运行稳定、可靠；方位传感器检测电路能够检测到太阳的方位，为闭环控制提供信息；照度比较电路能根据太阳光强度的变化判断即时的天气信息，为电机动作提供依据；电机驱动执行电路采用直流电机调速器，保证电机转速和力矩能够满足任务的要求；限位检测电路可以判断支架是否转到了边缘位置，防止转动机构过度旋转导致机械故障。系统结构框图如图2.1所示。

（1）单片机及最小系统

本系统采用STC12系列单片机，该单片机具有运行速度快（普通51系列的8-12倍）、程序存储器容量大、自带8路10位AD转换器、采用51内核，编程方便等优点。其复位电路可选择上电复位和按键电平复位方式。上电复位无需操作，上电后单片机自动复位，是最简单、最常用的复位方式。时钟电路由12MHz外部晶振与元片电容组成，也可选择内部时钟，但内部时钟易受温度的影响，因而本系统选择外部时钟电路。

（2）四路方位检测电路

本电路采用四个光照度传感器，四个传感器呈十字形对称放置，且各传感器距离中间交点1cm，且传感器之间用交叉的不透明挡板隔开，从而能通过判断阴影与非阴影区使检测电路始终对着太阳。本电路采用Po188作为检测装置，该传感器是一个光电集成传感器，典型入射波长为λp=520nm，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。传感器和电阻串联，从中间引出端子到单片机上。单片机进行AD转换后进行比较，然后根据比较电压值进行相应的动作。

（3）照度比较电路

单片机每隔两个小时对该电路的输出端进行扫描，通过该电路能根据外部环境的光照情况对系统进行相应的操作。当外界光照条件好时，该电路输出高电平，系统正常工作；当天气状况不好有阴雨时，电路输出低电平，单片机发生外部中断，系统停止运行。

（4）时钟电路

该电路采用DS12C887时钟芯片，该芯片自带晶体振荡器及电池，在没有外部电源的情况下可工作十年，可计算到2100年前的秒、分、时、星期、月、年、七种日历信息并带闰年补偿。该芯片与单片机连接方便，硬件结构简单，且带时间性中断、周期性中断、时钟更新结束中断三种中断方式。时间性中断可产生每秒一次至每日一次的中断信号。通过时钟电路可以准确地记录即时时间，在知道当地经纬度的条件下，能够计算出当地的日出日落时间。当到达日出时间后，并且照度比较电路输出为高电平，本系统按照每十分钟旋转固定的角度（初次设定为0.2度）进行工作，通过记录电机旋转的脉冲数来确定角度。

（5）4*4键盘电路

本电路用来输入当地的时间和经纬度，采用CH451作为外扩芯片，该芯片最多能外扩8*8个按键，其与单片机通过四路信号线进行连接，能够有效的节省单片机I/O口。

（6）直流电机调速器

由于太阳偏转的速度非常慢，所以本系统要求电机的转速也要非常慢，因此需要对直流电动机进行调速。通过单片机输出占空比可调的PWM脉冲具有控制方便，可节省硬件等特点，但是由于本系统的程序量大，输出的脉冲很难满足调速的要求，因此需要硬件生成PWM脉冲。本系统的直流电机调速器能够产生脉冲比为10%—95%的PWM脉冲，并由可变电阻调节。该调速器自带外部信号输入端，通过传感器接口控制正转、反转、停转、限位等多种功能，从而大大减少单片机的外部工作量。

（7）限位开关

由于太阳在一天中的运行轨迹是固定的，太阳落山后跟踪器应该停止旋转，采用限位开关能够使跟踪器在固定的角度内旋转，防止过度地旋转引起机械故障。本系统在东西、南北四个方向上各放2个，分别限定某一个位置。

（8）直流减速电机

本系统要求角度的偏转非常小，而直流电机转速非常快，因此需要采用大减速比的减速电机。经实际计算和市场调查，采用减速比为1：505的减速电机。

4小结

实践表明，采用太阳跟踪技术可以提高41.34%的能量接收率，因此开发设计一种受自然界天气影响较小的、且能跟踪太阳光的控制系统是十分必要的，这也是太阳能企业积极研究且迫切解决的问题之一。采用本文中的太阳能跟踪器控制技术可着力提升太阳能的能量接收率，使现有的太阳能设备使用效力大大提升。

参考文献

[1] 许志龙，聚光型太阳能光电光热一体化装置研制[J].太阳能学报，2011，

[2] 季杰，程洪波，何伟，陆剑平，T.T.CHOW，太阳能光伏光热一体化系统的实验研究[J]. 太阳能学报，2005，

[3] 梅开乡，太阳强光自动跟踪装置的设计[J].太阳能，2006，

作者简介

马文甲，男，27岁，2004.8--2008.6辽宁工业大学，材料与化学工程学院，化学工程与工艺专业。2010.3--至今，在职研究生学习，辽宁工业大学，电气工程学院，控制工程专业