一种新型太阳能跟踪控制器的设计*

余蓓敏

(安徽电子信息职业技术学院 电子工程系，安徽 蚌埠 233030)

一种新型太阳能跟踪控制器的设计*

余蓓敏

(安徽电子信息职业技术学院 电子工程系，安徽 蚌埠 233030)

为解决光伏发电效率低、成本高等问题，本文分析了目前太阳能跟踪技术的现状和弊端，提出了一种四点式双轴光电跟踪与数据库跟踪相混合的新的跟踪技术来提高光伏发电效率的方法.光照良好时采用光电跟踪模式，光线不佳时采用数据库跟踪模式，两种跟踪模式可以自动切换，保证了跟踪的精确性，大大提高了太阳能的发电效率.这种方法成本低、效果好、精度高、易实现，可广泛应用于光伏发电系统.

混合跟踪；光电跟踪；数据库跟踪

1 引言

为提高光伏发电转换效率，目前，可以从以下两方面着手解决：一是选取性能优良的太阳能电池材料，如单晶或多晶硅、薄膜光伏电池等，但这些材料往往成本较高，发电效率也不理想.二是采用跟踪控制技术，尽可能保证电池板与太阳光入射方向相互垂直.二者相比，采用跟踪控制技术更具有现实意义.常见的跟踪方式有以下两种：一种是天文式跟踪技术，即由微处理器根据当地经纬度、时间等信息来计算太阳的方位，从而实现自动跟踪，但这种跟踪技术受时间精度影响较大，积累误差无法消除，所以跟踪精度不高；另一种是光电式跟踪技术，虽然此技术跟踪精度较高，但受天气影响，极易跟错目标或者直接无法跟踪.于是，将上述两种跟踪模式结合在一起得到了普遍关注[1]，但这种结合模式下的数据计算过于冗繁，需要配备高性能微处理器，这样会加大成本，并且不易于实现.

为此本文提出了一种将光电跟踪模式和简单可行的数据库跟踪模式相结合的全新的太阳能跟踪控制器，大大提高了光伏转换效率.光照良好时采用光电跟踪技术，发挥其跟踪精度高的特点，光照不佳时自动转换到数据库跟踪模式，以实时更新数据库数据保证跟踪器与太阳光的夹角合适，从而提高太阳能发电效率.

2 跟踪模式分析

光电跟踪模式主要是利用传感器装置来检测太阳的高度和方位.在垂直照射的条件下，即各个方位的强度相同，则输出信号为零，若不同，则根据偏差信号的正负和大小决定电池板转动的方向和角度，实现精确跟踪[2].此模式跟踪精度高，但受天气影响较大.

数据库跟踪模式是利用前一天及时更新的数据控制系统正常工作.当天气状况不佳、光照弱时，此模式优势突显，不但跟踪更精确，光伏发电效率更高，并且实现起来简单方便.

将上述两种跟踪模式结合起来实现的混合跟踪模式是指在光电跟踪模式时，记录太阳在高度角和方位角方向上的步进电机脉冲数，每间隔一段时间统计一次，使单片机EEPROM中的数据实时更新并被存储.当光照不佳，即低于某采样电压时，通过单片机控制，切换到数据库模式下，用数据库前一天更新的数据来跟踪，保证精确度.

3 硬件设计

这种新型的太阳能跟踪控制器的硬件系统由风速检测电路、输入/输出模块、光电检测模块、时钟单元模块、微控制器、电机驱动机构和太阳能电池板构成，如图1所示.

图1 新型太阳能跟踪控制器硬件设计原理框图

微控制器采用宏晶单片机，型号为STC12C5A60S2，主要负责控制工作，是整个系统的核心单元.

风速检测模块采用风速传感器，型号为QS-FS01.当风速较大时，系统接收信号，停止跟踪工作.当风速不造成破坏时，恢复跟踪工作.此模块是整个系统的保护单元.

输入/输出模块中的输入模块采用A/D转换式按键电路，以减少单片机I/O接口.输出模块采用LCD显示电路，型号为LM032，主要用来显示测试数值与时间信息，以便于调整.

光电检测模块采用四点法[3-4]，由四路光电传感器构成，用来检测各个方向的入射光线与太阳能电池板是否垂直.光电检测实际电路主要通过光电二极管与一高精度电阻串联实现，随着光照强度的增加，电流变大，电阻分压增多，故光照强度与A/D采样值成正比，说明电压型输出可行.当两路采样值结果相同时，则表明正常，电机驱动机构不偏转.当两路采样值之差超出一定值时，则微处理器控制电机驱动机构向较大采样值一侧偏转，直至两路采样值相同.光电检测电路原理图如图2所示.

图2 光电检测电路原理图

时钟单元模块采用DS1302时钟芯片，该芯片为双电源供电模式，备用电源充电方式可被设置，也可被涓流充电[5].

电机驱动机构采用混合式步进电机，型号为57BYGG262-2004A.由于阳光移动速度不快，故选用双极串联方式.为了降低成本，提高速度，改善电机性能，本电机驱动机构还加入了高性能细分驱动器，型号为SH-2024.

综上所述，这种新型太阳能跟踪控制器的电源电路要综合考虑各组成部分的电源供给，故设计如图3所示.

图3 新型太阳能跟踪控制器电源电路示意图

4 软件设计

这种新型太阳能跟踪控制器的软件系统是将四点光电跟踪式与数据库跟踪式相结合的一种新模式，整个程序的流程设计采用模块化设计思想.设计中，时钟及各中断源首先进行初始化处理，设计看门狗(WDT)监测系统故障，便于及时处理.当风速过强时，进行避风处理，对系统加以保护.输入按键模式0为正常，跟踪时间为每天的7：00-18：00，检测供电，查看是否出现某一时段的断电或其他异常情况，如果出现过异常情况，则进行必要的电机调整后继续光电跟踪模式，然后判断光照是否符合光电跟踪条件，当光照不好并低于一定值时，随即切换进入数据库跟踪模式，数据库数据保持实时更新状态，不管光线好坏，都能保证跟踪效果的最优化.

7：00-18：00时段外，安徽地区光照很弱，整个系统进行节能处理，采取固定采光方式，晚上20：00时对跟踪系统进行复位，以便于第二天的良好跟踪.

综上所述，混合跟踪模式程序设计主流程图需包含系统初始化、看门狗(WDT)、风速检测、按键处理、供电检测、光电检测、光电跟踪处理、数据库跟踪处理、跟踪装置夜间复位作业、闲暇节能处理等功能模块.程序流程图如图4所示.

图4 新型太阳能跟踪控制器的程序设计流程图

5 结束语

本文提出了一种新的可以在光电跟踪模式和数据库跟踪模式间自动切换的太阳能跟踪控制器.

当天气好、光照强时(如晴天)，光电跟踪模式发挥作用；当天气不好、光照弱时(如多云或阴雨天气)，可自动切换到数据库跟踪模式，最大程度上保证了太阳能电池板的高发电效率.这种新型太阳能跟踪控制器电路简单，易于实现，具有性价比高、高速低功耗、抗干扰性较强等优点，具有较强的普及和推广意义.

[1]黄剑波,朴仁官,郭帮辉，等.一种高精度全天候太阳跟踪仪的设计[J].长春理工大学学报(自然科学版), 2010,3(3):4-7.

[2]王尚文，高伟，黄树红.混合双轴太阳自动跟踪装置的研究[J]．可再生能源，2007(12):12-13.

[3]廖锦城.计算机控制双轴太阳跟踪系统及其偏差检测[D].武汉:武汉理工大学,2008.

[4]黄韬.基于模糊控制的太阳追踪系统[D].广州:中山大学,2009.

[5]达拉斯半导体公司.DS1302英文数据手册[S].

(责任编辑:王海波)

Design of a New Type of Solar Tracking Controller

YU Bei-min

(DepartmentofElectronicEngineering,AnhuiVocationalCollegeofElectronicsandInformationTechnology,Bengbu,Anhui233030,China)

In order to resolve the problem of low efficiency and high cost in Solar Photovoltaic Generation, a new four-point biaxial solar tracking mode mixed with optical tracking and database tracking is presented after the analysis of the research status and disadvantages for solar tracking controlling technique. The optical tracking mode is at work when the light is strong, otherwise, the database tracking mode works. Automatic switchover between these two modes improves the precision and generating efficiency simultaneously. Due to the advantages of low cost, good effect, high precision and easy to achieve, this mixing tracking mode can be used extensively.

biaxial tracking; optical tracking; database tracking

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.04.001

2015-03-01

余蓓敏，女，安徽广德人，教师.

TM914.4

A

1008-7974(2015)02-0001-03