自追踪太阳能发电设备设计＊

申旋旋，高尚尚，张海涛

（江苏海洋大学应用技术学院，江苏连云港 222000）

当今社会发展最不可或缺的能源之一是电能，但是电能的发展、使用在一定程度上对环境造成了不小的影响，每节约一点电能，环境就能少受点污染。为增加电能的储备，保护环境，针对太阳能光伏发电系统设计的功能和作用，根据地理位置、方向、季节的不断变动以及一些其他的不利因素，研究了一种低成本、高效率的太阳能光伏发电机构，并且对其作出了自动跟踪设置优化，使之能够更好地利用大自然的资源，充分地接收太阳所给予的能量，增进太阳能电池对接收太阳能转换成电能的发电效率，在设计优化方案中最大限度地利用光能在太阳能模块上导电。

1 自追踪太阳能发电的整体结构

本文设计了一种通过控制装置和驱动器控制的步进电机旋转达到发电硅板与阳光照射方向近似垂直的机构。该设计包括控制设计、动力设计及结构设计三个方面。控制设计是控制装置根据当天太阳光照射方向随时间变化，每隔一段时间（比如半个小时）通过控制两个电机的旋转调整发电硅板的位置，以保证其与太阳光近似垂直；动力设计是步进电机和减速器共同作用带动Z向旋转轴、X向旋转轴旋转；结构设计包含基座、蜗杆、蜗轮、步进电机、联轴器、减速器、蜗杆、蜗轮、减速器、X向Z向旋转轴、硅板。整体结构图如图1 所示。

图1 自追踪系统结构图

2 自追踪太阳能发电的硬件及电路设计

整个电路设计包括光电检测电路、晴阴天判断电路、昼夜判断电路、单片机控制电路、时钟电路、步进电机驱动器电路等。具体来说，光电检测电路是把光电传感器的位置固定在太阳板上，太阳板的表面与内置的光敏二极管的工作面平行。其主要功能是对太阳运行的具体方位和实际高度进行测定和判断。晴阴天判断的方式是由光电追踪模式和对太阳角度的追踪的联合[1]。光电追踪模式是对光源较强时作出反应的模式，但是当光源变弱（如阴天下雨等）时，光电追踪模式就会变得不灵敏，甚至无法识别。而太阳角度追踪的设计弥补了这个缺陷，无论阴天晴天，太阳的轨迹运行总是不变的，利用公式计算出轨迹路线来实现对太阳的追踪。昼夜判断电路很好理解，用于判断任意时刻所处的时间是白天还是黑夜。单片机控制电路则是用于控制步进电机的运行，由设计的检测装置检测到太阳光线所发出的方位，把收集到的光信号经过系统的内部处理转变成可识别的电信号，然后把检测到的信息反馈传送给单片机，单片机识别到系统的信号后，发出对应的命令指示来操纵步进电机[2]。研究内容中对时间的判断采取的是时钟模块，考虑到与单片机型号相匹配，最终确定时钟芯片的型号为DS1302。具有读写保护位，可以用时序来控制，外界对其的影响较小，质量轻，连线简单等特点。系统所选取控制步进电机运行的驱动器是SJ-220MA，根据驱动器的功能，步进电机的型号选择的是57BYGH8404。SJ-220MA 驱动器结构简单、性能优越、运行稳定，具有频率高和防干扰[3]，能与选择的步进电机相匹配。

3 自追踪太阳能发电的软件设计

整体设计部分一共有四大板块，具体有光电追踪模式、太阳角度固定追踪模式和时钟电路模块。接通电源之后，单片机立即启动系统的中断指令程序，等待命令处理；若系统检测到是白天时，随即进行第二次检测，对当天的天气进行判断，然后在作出相应的指令。若检测发现此刻的天气是处于阴天状态时，系统就会切换成相对应天气的模式，即对太阳角度追踪的模式；若检测发现此刻的天气是处于晴天状态时，系统就会切换成光电追踪模式，通过光敏二极管的检测，实时追踪太阳运行的位置。针对整个追踪系统，运行流程如图2 所示。

图2 系统流程图

系统采用的是INT0 的高低电位来确定当前时刻是白天还是黑夜，当系统检测到INT0 的当前电位是低电位时，系统就会立即运行中断指令，进入休眠状态。本文采用的是不停的检测I/O 端口的高低电位，来判断当天时刻的天气是晴天还是阴天。因为太阳角度固定追踪模式的运行程序较多，因此不适合用中断来判断[4]。

在光电追踪模式下，系统首先根据D0 所连接的单片机引脚的高低电位来检测太阳光线是否照射在了中间的光敏二极管D0 上，如果光敏二极管D0 接收到了光线的照射，此时软件的设计指令会控制本系统延迟15 min；如果D0 没有接收到光线的照射，说明光源不在此光敏二极管上，则系统立即作出反应，对其余4 个光敏二极管进行检测。随后系统就会发出指令由控制器控制步进电机向相应的方向运动，直到安装在中间位置的光敏二极管D0 收到了太阳的光线为止。这就达成了光电追踪太阳的设计。

在太阳角度轨迹追踪模式下，因为天气、时间和地点的选择对该模式不会造成影响，所以只需要通过公式计算出当天每时每刻太阳运行的轨迹，即便是在阴天，也可以对太阳的实际位置进行准确的定位及精确的追踪，大大地解决了光电传感器在光线不好的情况下无法运行的问题。

时钟模块：要想判断太阳运行的具体位置，首先得知道当时的时间，因此，笔者们采取了用时钟芯片DS1302 来记录时间的方法，有了准确的时间后，对太阳运行的轨迹进行追踪，就可以把太阳的具体角度算出来了。针对当前时间的判断，系统的设计采用的是中断指令，在黑夜的基础上，如果INT0 呈现低电位，系统立即作出反应，即运行中断程序，此时两个步进电机进入等待状态。

4 小结

本文所论述的系统首先进行的是昼夜检测，其次是检测天气的好坏，来判断是运行光电追踪模式还是太阳角度轨迹固定追踪模式，最后通过引脚反馈给单片机，在由单片机发出指令信号，控制步进电机，电机带动设计好的特殊结构，使硅板实时地追踪太阳。单片机作为系统的核心，此单片机功能强大，结构简单，完全可以满足系统所需的功能。对结构的设计是采用水平和竖直的双向追踪设计，大大增加了太阳板运行的灵活性，提高了采集阳光的效率。

当然，本文所设计的系统还有一些不足之处。例如，有大风天气时，系统的结构是否能抵挡得住，能否保持系统正常运行；若雨水打湿了系统，会不会短路，造成系统故障等。