小型極軸太陽能發(fā)電追蹤控制器的研制

曾忠利　李松柏　江紹明

[摘要]太陽能電池組件可以固定安裝，也可以安裝成單軸、雙軸等不同的自動跟蹤系統(tǒng)。介紹以單片機為核心，根據(jù)時鐘芯片內(nèi)的時間，控制步進電機在東西方向單軸自動跟蹤的太陽能發(fā)電追蹤控制器。本系統(tǒng)提高追蹤控制精度，從而達到提高太陽能發(fā)電效率及降低發(fā)電成本的目的，具有廣泛的應(yīng)用潛力。

[關(guān)鍵詞]極軸 單片機 時鐘芯片 步進電機 跟蹤

中圖分類號：TP2文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0420029－01

一、引言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，而太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)，太陽能的應(yīng)用受到廣泛的關(guān)注并已取得一定的成就。然而它也存在著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板數(shù)組基本上都是固定的，沒有充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下。據(jù)實驗，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，采用自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定安裝發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，成本下降25%，因此在太陽能利用中，進行跟蹤是十分必要的。而跟蹤裝置的精度明顯地影響設(shè)備利用太陽能的性能，因此對跟蹤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研制是一項很有意義的工作。

二、追蹤控制器工作原理

些控制器是以計算太陽運行軌跡的方法來控制步進電機帶動電池組件運行，因此系統(tǒng)的安裝將對追蹤精度造成影響。太陽在一年中隨著季節(jié)的變換，高度角也在不停的變化，所以追蹤器在設(shè)計上做了月份修正系統(tǒng)以使追蹤器更加精準的對準太陽。為了降低高度角的位置對控制精度的影響，安裝時根據(jù)當?shù)鼐暥群彤敃r月份調(diào)整好高度后再安裝太陽能電池板，并使其在零位狀態(tài)時受光面朝向正東方向。

系統(tǒng)安裝完成并檢查無誤后，初次按下控制器上的復(fù)位鍵，驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。當電機轉(zhuǎn)軸底部安裝的小磁鐵碰上限位開關(guān)時，開關(guān)閉合，電機停止轉(zhuǎn)動。如果此時太陽能電池板沒有與地面垂直，可以再次調(diào)整使其達到安裝要求。然后按下運行鍵，單片機將根據(jù)時鐘芯片內(nèi)的當前時間，計算理論脈沖數(shù)，再驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動到當前時間的位置。

控制器根據(jù)時鐘苾片內(nèi)的時間，通過單片機控制追蹤器在東西方向單軸跟蹤太陽。我們通過軟件調(diào)整脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動速度，使電機每分鐘轉(zhuǎn)動一個脈沖的距離時，帶動組件所走的位置與模擬太陽運行軌跡基本一致，從而提高跟蹤精度?？刂破鞴ぷ鲿r間為早七點到晚七點，早上七點時，單片機驅(qū)動步進電機每分鐘轉(zhuǎn)動一個脈沖。到晚上七點時，單片機控制步進電機反轉(zhuǎn)回到起始狀態(tài)，即太陽能電池受光面朝向正東的位置。如此反復(fù)，達到全自動跟蹤。如果在運行過程中，時間丟失，追蹤器轉(zhuǎn)軸底部的限位開關(guān)將起到強制保護的作用，從而減小或避免不必要的損失。

三、控制器設(shè)計

（一）硬件設(shè)計

1.電源電路。由于系統(tǒng)給蓄電池充電電壓為12V，而控制器電源電壓為5V。所以由系統(tǒng)為控制器供電，就需降壓電路將12V降為5V。為降低系統(tǒng)功耗，我們未直接采用普通線性穩(wěn)壓器件，而采用的是高效率的SPX2945集成電路作為電源控制。SPX2945是低功耗的電壓調(diào)節(jié)器，它是無線電話、無線電控制系統(tǒng)和手提電腦等電池供電應(yīng)用的最佳選擇。SPX2945具有很低的靜態(tài)電流（典型值為100μA）和壓差。緊密的初始容限（最大為1％），以及很小的輸出溫度系數(shù)，使SPX2945可用作低功耗的電壓基準。[1]

2.單片機電路。P89C52基于80C51內(nèi)核采用PHILIPS高密度CMOS技術(shù)設(shè)計制造，包含中央處理單元、256字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器RAM、32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數(shù)器和6個中斷源、4層優(yōu)先級中斷嵌套結(jié)構(gòu)、片內(nèi)時鐘振蕩電路等。

P89C52單片機含有非易失FLASH、并行可編程的程序內(nèi)存。在100次擦除和編程之后仍能可靠保存FLASH內(nèi)存在的內(nèi)容，單元的設(shè)計使擦除和編程結(jié)構(gòu)最優(yōu)化?？捎糜诙鄼C通信的串行I/O口、I/O擴展或全雙工UART除了通過查詢停止位對幀錯誤進行檢測和地址自動識別外，串口通信和標準的80C51異步串行通信一樣，支持多機通訊。

此外，P89C51采用低功耗靜態(tài)設(shè)計。Idel模式下，CPU內(nèi)容、片內(nèi)RAM和所有SFR保持原來的值。任何被使能的中斷（此時，程序從中斷服務(wù)程序處恢復(fù)并繼續(xù)執(zhí)行）或硬件復(fù)位（與上電復(fù)位使用相同的方式啟動處理器）均可終止Idel模式。由于是靜態(tài)設(shè)計，所以掉電模式下，時鐘振蕩停止，RAM數(shù)據(jù)會得以保存，停止芯片內(nèi)其它功能。CPU喚醒后，從時鐘斷點處恢復(fù)執(zhí)行程序。[2]

3.時鐘電路。我們選用PCF8563RTC芯片為系統(tǒng)提供工作時鐘。PCF8563

是PHILIPS公司推出的一款帶I2C總線，具有極低功耗的多功能時鐘/日歷芯片。它有16個8位寄存器，所有16個寄存器設(shè)計成可尋址的8位并行寄存器，但不是所有位都有用。前兩個寄存器用于控制寄存器和狀態(tài)寄存器，內(nèi)存地址02H～08H用于時鐘計數(shù)器（秒～年計數(shù)器）。I2C總線接口器件為集電極開路，在與單片機相連時要接上拉電阻。[3]

四、追蹤器設(shè)計

本系統(tǒng)的追蹤器部分以步進電機為驅(qū)動，它是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。[4]當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度。我們可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。[5]

五、結(jié)束語

經(jīng)過近一年時間的開發(fā)及應(yīng)用，我公司研制的小型極軸太陽能發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)產(chǎn)品已經(jīng)比較成熟，并取得了很好的成效。由于使用單片機及步進電機控制，跟蹤器的跟蹤精度達到了0.1度，比固定安裝太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率明顯提高，并降低了發(fā)電成本。該產(chǎn)品已在汶川地震及四川德容工程中得到廣泛運用，并且運行情況良好。

*國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃），MW級并網(wǎng)光伏電站系統(tǒng)，高倍MW級聚光型（CPV）并網(wǎng)電站及關(guān)鍵設(shè)備研制（2006AA050204）。

參考文獻：

[1]Sipex Corporation，400mA Low Dropout Voltage Regulator with Shutdown，2004.

[2]p89c5x單片機使用手冊[R].http://www.zlgmcu.com.

[3]Real-tim clock/calendar PCF8563[Z].PHILIPS，1999.

[4]吳紅星，電機驅(qū)動與控制專用集成電路及應(yīng)用，中國電力出版社，2006.

[6]王宗培，步進電動機及其控制系統(tǒng)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1986.