楊小聰，張遠山，石成成

(山東工商學院 信息與電子工程學院，山東 煙臺 264000)

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太陽能電板自跟蹤系統(tǒng)的設計

楊小聰，張遠山，石成成

(山東工商學院 信息與電子工程學院，山東 煙臺 264000)

為了保證太陽能電板能夠與太陽光保持垂直狀態(tài)，實現(xiàn)較大的光電轉換效率，設計了一種太陽能電板的二維跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用視日運動軌跡跟蹤和光電檢測跟蹤兩種方式結合的方法，在不同的時間采用不同的跟蹤方法，通過單片機STC89C52來控制兩個步進電機轉動，使太陽能電板與光線垂直。通過實驗仿真和數(shù)據(jù)分析得出，這種方法有效地提高了光電轉換效率，且控制方法簡單，有利于廣泛應用。

太陽能電板；二維跟蹤系統(tǒng)； STC89C52；光電轉換效率

能源是人類社會生活與經(jīng)濟發(fā)展的基礎，隨著世界人口的增長以及全球經(jīng)濟的不斷發(fā)展，對能源的消秏也在持續(xù)增長，出現(xiàn)能源緊缺及由此引發(fā)的各種問題也是其必然。太陽能是最熟悉的新能源中的一種，清潔、無污染且取之不盡、用之不竭，地球上各種生物的生存都離不開太陽能。人類所需要的能量都是直接或者間接地來自于太陽，太陽每秒輻射的能量大約為1.6×1023kW，而到達地球的能量能達到8×1013kW，是自然界儲量最多的新能源，世界各國都加大了對太陽能的開發(fā)和利用[1-4]。

由于太陽的位置在一天中是隨著時間不斷變化的，因此固定方式安裝的太陽能電池板無法滿足時刻與太陽光線保持垂直的要求，對太陽光的利用率較小。如果要更加有效地利用太陽光，必須保證太陽能電池板的受光面積。因此，近年來有很多專家學者通過采用不同的方法對太陽光進行跟蹤，以提高太陽能電池的轉換效率，如槽式跟蹤、光熱傳感器跟蹤等[5-9]，但是跟蹤方法單一，對太陽光的利用效果有限，且使用壽命較短。該設計采用視日運動軌跡跟蹤和光電檢測跟蹤兩種方法相結合，能夠減小累積誤差，通過單片機STC89C52來控制兩個步進電機轉動，根據(jù)不同的時間和光照強度選擇不同的跟蹤方法，并設計一種光電檢測電路，對比輸出值更加精確。這保證了太陽能電板與光線時刻處于垂直狀態(tài)，從而提高了太陽能電池的轉換效率。

1 控制系統(tǒng)的組成及工作原理

系統(tǒng)設計使用二維自動跟蹤方式，主要包括兩方面：一方面在陰天或者光照強度不強的情況下采用視日運動軌跡跟蹤，即系統(tǒng)利用天文計算公式，通過輸入當?shù)氐慕?jīng)緯度和時角進行計算得出太陽高度角和方位角，最后計算出步進電機需要轉過的角度，從而控制太陽能電池板的位置，進行視日運動軌跡跟蹤；另一方面在晴天中午光照較強的情況下，采用硅光電池片作為檢測元件，利用輸出電壓的差值來調(diào)整太陽能電池板的位置，進行光電跟蹤。太陽能電池板自跟蹤控制系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)STC89C52、時鐘系統(tǒng)DS1302、光強檢測及A/D采樣電路、按鍵控制及步進電機等組成?？刂葡到y(tǒng)結構如圖1所示。下面對系統(tǒng)中幾個主要部分進行介紹。

圖1 控制系統(tǒng)結構

1)單片機系統(tǒng)STC89C52

單片機采用的是具有低功耗特點的STC89C52，擁有更靈活的8位CPU和可編程可擦除的只讀存儲器，還具有32位I/O 口線、3個16位定時器/計數(shù)器、4個外部中斷、一個7向量4級中斷結構全雙工串行口、看門狗定時器等，支持在0 Hz 靜態(tài)邏輯操作，兩種軟件可選擇節(jié)電模式。與AT系列單片機相比速度較快，內(nèi)帶4 k的EEPROM存儲空間，內(nèi)帶數(shù)據(jù)存儲空間更大，價格便宜，可以在線編程，燒寫程序方便。系統(tǒng)中對單片機各引腳分配如圖2所示。

2)光強檢測單元

光強檢測采用的是4片一樣的硅電池片，將其分別安裝在四個象限，從第一象限開始，設其輸出電壓分別為U1、U2、U2、U4，為了減小誤差，將U1和U2相加，再減去U3和U4，得到的電壓差值為Uy，y軸上對應的是太陽高度角，當?shù)玫降碾妷翰钪荡笥诹銜r說明在y軸正半軸，也就是太陽更偏北，小于零則更偏向南，同理可得出Ux的值，也可以判斷出太陽方位角的偏向。最后輸出的電壓經(jīng)信號放大以后送到串行A/D芯片TLC1549進行模數(shù)轉換，再將轉換結果送到STC89C52單片機。當太陽光垂直電池板時，兩個硅電池片的感光量相等，輸出電壓也就相同。當太陽光略有偏移時，輸出電壓就不相等，從而產(chǎn)生電壓差值，單片機根據(jù)檢測到的差值計算出步進電機需要發(fā)送的脈沖數(shù)，從而調(diào)整步進電機正反轉的角度，以此來進行太陽能跟蹤控制。光強檢測放大電路如圖3所示，圖中方框1構成兩路同相加法器，方框2為同相差模放大器，方框3為基本反相差分放大電路，將信號做差放大，再經(jīng)過A/D轉換以后送入單片機控制步進電機轉動。

圖2 單片機各引腳分配

3)DS1302時鐘模塊

由于系統(tǒng)需要定時開關機，并且在晴天的11點到14點進行光電檢測跟蹤，時鐘芯片是必不可少的。該系統(tǒng)選用的是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS1302芯片，可以很方便的與單片機進行連接。DS1302可以對年、月、日、時、分、秒、星期等進行計時，且具有閏年補償功能，可以采用24小時制或者12小時制的計時方式，工作電壓范圍是2.5 V到5.5 V，采用雙電源保證時鐘連續(xù)運行的電量供應。采用三線接口與CPU進行同步通信以減少占用單片機的資源，使系統(tǒng)運行效率更高，并且可以使用突發(fā)方式，一次傳送多個字節(jié)的時鐘信號或RAM數(shù)據(jù)[11-12]。

圖3 光強檢測放大電路

2 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件設計語言采用的是c語言，在Keil編譯仿真環(huán)境下進行實現(xiàn)[10]。該系統(tǒng)程序主要達到以下幾個方面的功能：

1)DS1302時鐘芯片能夠準確定時，并且能夠?qū)r間進行設置，使系統(tǒng)初始化成功，對該地的太陽高度角和方位角進行準確計算。

2)采集太陽能電池板檢測電池片的輸出電壓，進行A/D轉換。

3)根據(jù)天氣情況，進行視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤的有效結合和利用。

4)液晶顯示器能夠準確顯示出時間、太陽高度角和方位角等信息，并且隨時間的變化，各個數(shù)值也會發(fā)生變化。

系統(tǒng)的主要工作原理：開機后通過DS1302時鐘芯片進行時間設置并保存；在晴天時，先啟動視

日運動軌跡跟蹤，也就是對該地的太陽高度角和方位角通過公式進行準確計算，得出太陽的高度角和方位角，然后通過單片機發(fā)送信號控制電機轉動，使太陽能電池板與太陽光線垂直，當時間在11點到14點時，這時光照較強，啟動光電檢測跟蹤，每隔一定時間通過硅光電池檢測與太陽光線的偏差，來控制電機轉動，使太陽能電板與光線垂直，達到跟蹤的目的；在陰天或者多云時，就只進行視日運動軌跡跟蹤。主程序流程如圖4所示。

3 實驗結果及分析

采用Proteus仿真軟件對視日運動軌跡跟蹤進行驗證，模擬電路中采用的是L297和L298步進電機驅(qū)動電路，U2和U3驅(qū)動左邊電機，U4和U5驅(qū)動右邊電機，設定每隔4分鐘計算太陽高度角和方位角的值，然后控制兩個步進電機進行轉動，其仿真圖如圖5所示。

圖4 系統(tǒng)主程序流程

選擇三塊一樣的太陽能電板，在一個晴天將系統(tǒng)放在室外運行，一塊電池板固定在與地面成60度角朝南的地面上，一塊采用單軸跟蹤運行，一塊采用設計的雙軸跟蹤運行，并將它們都連接在電壓采集電路上，在早上七點半到晚上七點這段時間內(nèi)每半小時進行一次數(shù)據(jù)采集，三種方式輸出的電壓對比情況如圖6所示。從三種方式對比圖可以看出，固定跟蹤方式在中午時刻的電壓輸出值和其他兩種方式相差不大，但是在早晚兩個時間段的電壓輸出值較小，單軸跟蹤比固定跟蹤的效果好，但是從圖中可以明顯看出雙軸跟蹤系統(tǒng)的輸出電壓值在每一時刻都比其他兩種方式的高，效果較好。

圖5 步進電機仿真

圖6 三種方式輸出的電壓對比

4 結 論

該系統(tǒng)設計是基于單片機STC89C52的，采用視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤結合的方法，不同時間采用不同的跟蹤方法，使太陽能電板能夠保持與太陽光線垂直，相比于單一跟蹤方法能夠減小累積誤差。同時設計了一種光電檢測電路，檢測對比電壓輸出值，相對精度較高。日出前和日出后使電池板停止工作，對太陽光進行合理有效地利用，提高了太陽能電板的輸出功率，也可以提高太陽能電板的使用壽命，具有較高的實際應用價值，在理論研究的基礎上具有較高的實用性和推廣意義。但是目前該設計只是進行了一些仿真和模擬工作，還需要進行大量實際測試。

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(責任編輯 魏靜敏 校對 張 凱)

Design of Automatic Tracking Control Method for Solar Cell

YANG Xiao-cong,ZHANG Yuan-shan,SHI Cheng-cheng

(School of Information and Electronic Engineering,Shandong Technology and Business University,Yantai 264000,Shandong Province)

A dual-axis automatic solar tracking system was designed in this paper.The system could maintain the sunlight perpendicular to the solar panels,which could achieve greater conversion efficiency.The system used the combination of sun-angle-tracking and photoelectric tracking in different time.The rotation of stepper motor was controlled by STC89C52,which made the sunlight perpendicular to the solar panels.The experiments simulation and data analysis showed that this method would improve the photoelectric conversion efficiency and the method was easy to carry out,so that it was benefit to be used widely.

solar panels;dual-axis automatic tracking system;STC89C52;photoelectric conversion efficiency

2016-11-24

楊小聰(1985-)，女，山東威海人，碩士，實驗員。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.02.018

TK51

A

1673-1603(2017)02-0183-05