MCS—51主控的太阳能跟踪系统整体设计

严峻

摘 要：近十年来，太阳能光伏发电产业发展迅速，是被业界一致最为看好的清洁能源产业之一。太阳光照在地球上的角度时刻都在变化，为取得高效的太阳能发电，必须确保太阳能电池板时刻正对太阳。本文采用了光电检测追踪与角度追踪相结合的太阳能跟踪方式，设计了一款基于MCS-51单片机控制的双轴太阳能跟踪系统。

关键词：51MCU；光伏发电；太阳能跟踪系统

1 太阳能跟踪方式的选择

太阳能的接收装置种类繁多，但万变不离其宗，几乎所有的太阳能接收装置都是被动接收。因此，为了充分利用太阳能，需解决的核心问题就是增加日照时常和提高吸收效率。当前应用较为广泛的电子类太阳光追踪法主要有两种：一是光电检测追踪法；二是角度追踪法。这两种方法各有所长，法一显然更加准确，但阴天或有云层遮挡时会有不稳定和无休止空耗的状态，法二按照预设状态运行，显然工作状态简单，但是准确度无法一高。因此，本论文拟将这两种方式相结合，来实现更合理高效的太阳能追踪系统的设计。

下面对太阳角度的相关计算做一个简单的说明。

地球绕地轴自西向东旋转，自转一周即为一昼夜，24h，地球每小时自转15°。地球除了自转以外，还绕太阳循着称为黄道的椭圆形轨道运行，称为公转。公转周期为1年（实际为365天6时6分9秒）。地球绕太阳运行的示意图如图1所示。

由于地球自转和绕太阳公转的共同作用，才会使地球上有四季更迭和昼夜交替。地球的自转轴与公转运行的轨道面的交角称为“黄赤交角”，约为 23?26?。如果地面的观察者位于地球的北半球中纬度地区，即我国所处的地理位置，就可以用数学的语言对地日运动作出以下描述。

与赤道平面平行的平面与地球的交线称为地球的纬度。通常将太阳直射点的纬度（即太阳中心与地心的连线）与赤道平面的夹角称为赤纬角。

太阳相对于地球的位置可由太阳高度角α和太阳方位角β来确定。太阳高度角α是指太阳光线与地表水平面之间的夹角（0 ≤α≤90°）。

通过上面公式，只要经纬度和当前时间确定，就可以根据固定公式计算出此时此地的太阳高度角和方位角，由于每一个地理位置的经纬度都是唯一的，故在软件设计的程序中，把当地的经纬度设置为常量，而当前时间的确定是通过扫描时钟芯片的时钟周期得到，这样就可以通过预先给定的函数公式计算出每时每刻的当地对应的太阳高度角和方位角的值了。

2 太阳能跟踪系统的设计目标

由于地球的自转和绕太阳公转，处在地球表面的任一地理位置，太阳光线的照射方向都在时刻变化。同时由于风雨雷电等自然因素的存在，也时刻影响着当前位置的太阳光照射情况。因此，哪怕是同一地理位置点，每年的同一天的相同时刻太阳光的照射情况也不可能完全相同。所以，太阳能跟踪系统的设计目标是保持太阳光接收装置的接收表面时刻与太阳光的入射角度相垂直，从而提高太阳能的利用效率。

3 太阳能跟踪系统的总体设计思路

本文设计的太阳能跟踪系统是要在各种自然条件下均可合理、正常、高效的工作。通过查阅相关的资料，设计总体思路如下：

首先，通过前端太阳光接收装置的光电检测元件对当前时刻是白天还是黑夜做出初判，若为白天，就执行后续设定的程序；若为黑夜，则中断触发，系统响应中断，执行中断函数，使得CPU处于待机的休眠状态，降低能耗，等待白天的来临。

其次，若初判为白天，再次对太阳光的强弱进行判断：是晴朗的有强烈太阳光的天气，还是阴云密布的太阳光微弱的天气。根据阳光的强弱选择不同的跟踪方法；晴天时采用光电跟踪法，阴天时采用太阳光角度跟踪法。最后，根据对前端传感器信息的分析判断处理，按预设的算法运行，最终驱动机械传动装置—两个步进电机的转动，从而带动太阳光接收装置的转动，实现太阳光的实时跟踪。整体设计开发流程如图2 所示。

4 太陽能跟踪系统的总体设计方案

根据前篇太阳能跟踪系统的设计思路，在经过多方的查阅资料，作者得出了以下设计方案：

前端的太阳能接收装置利用光敏二极管构成比较电路，实现昼夜检测初判，若为白天，执行后续步骤；若为黑夜则触发中断，系统进入待机睡眠状态，降低能耗，等待白天的到来。

若检测初判为白天，仍然利用光电二极管构成的电路判断太阳光的强弱。晴天太阳光强烈时采用光电检测法，阴天太阳光微弱时采用角度追踪法。

在角度追踪方式中用串行实时时钟芯片组成时钟电路，确定当前时间，从而根据已设定函数确定当时当地太阳角度相关参数值。

机械装置采用蜗轮蜗杆机构，使太阳光接收装置能够水平竖直双轴旋转。

整个系统使用AT89S51单片机为内核。其中软件设计的程序采用C51编写。

系统算法流程图如图 3所示：

5 结语

基于MCS-51单片机的太阳能跟踪系统，采用光电检测追踪与角度追踪相结合的太阳能跟踪方式，使用AT89S51单片机为控制内核，使用电机带动双轴实现360°无死角旋转，能够实现低成本、高精度、高稳定性的跟踪效果。

参考文献

[1]王东娇，朱林泉，薛忠晋.太阳能独立光伏发电系统控制系统的研究与设计[J].山西电子技术，2010，（2）：78-79.

[2]王涛.基于光敏感应及角度计算的太阳追踪系统的设计与实现[D].电子科技大学，2009.