太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實踐

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳國慶 韋 抒 李 捷

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實踐

廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陳國慶 韋 抒 李 捷

太陽能作為一種新型能源具有儲量無限、普遍存在、利用清潔、使用經(jīng)濟等優(yōu)點，但是太陽能又存在著低密度、間歇性、空間分布不斷變化的缺點，本文設(shè)計一種太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，其能根據(jù)太陽相對地球運動軌跡的規(guī)律，控制太陽能板自動實時跟蹤太陽方位，保持太陽能電池板始終與太陽入射光線垂直，從而保持較高的太陽能利用率。本文重點敘述太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計與實踐的內(nèi)容。

太陽能；自動跟蹤；GPS；單片機

1.引言

傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少，對環(huán)境造成的危害日益突出，全世界都把目光投向了可再生能源，希望可再生能源能夠改變?nèi)祟惖哪茉唇Y(jié)構(gòu)，維持長遠(yuǎn)的可持續(xù)發(fā)展。太陽能和風(fēng)能以其獨有的優(yōu)勢而成為人們重視的焦點。近幾年國際上光伏發(fā)電快速發(fā)展，2007年全球太陽能新裝容量達2826MWp。2008年全球光伏市場增至5.5GW，全球太陽能安裝總量已累計達15GW。日本政府2008年11月發(fā)布了“太陽能發(fā)電普及行動計劃”，確定太陽能發(fā)電量到2030年的發(fā)展目標(biāo)是要達到2005年的40倍。2008年9月16日，美國參議院通過了一攬子減稅計劃，其中將光伏行業(yè)的減稅政策（ITC）續(xù)延2-6年。太陽能光伏發(fā)電和風(fēng)電在我國是一個新興事物，光伏產(chǎn)業(yè)讓國內(nèi)企業(yè)看到了機遇，而且該產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需要大量的人才為之服務(wù)，這吸引了廣大高等院校的目光，我院在這方面也應(yīng)該抓住機遇，進行相應(yīng)的基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)，為開設(shè)相關(guān)的專業(yè)做準(zhǔn)備，具有很強的現(xiàn)實意義。地球上，無論何處都有太陽能，可以就地開發(fā)利用，不存在運輸問題。同時，太陽能也是一種潔凈的能源，在開發(fā)和利用時，不會產(chǎn)生廢渣、廢水、廢氣，也沒有噪音，更不會影響生態(tài)平衡。但是，太陽能的利用有它的缺點：一是能流密度較低，日照較好的，地面上1平方米的面積所接受的能量只有1千瓦左右。往往需要相當(dāng)大的采光集熱面才能滿足使用要求，從而使裝置地面積大，用料多，成本增加。二是受大氣影響較大，給使用帶來不少困難。

本文設(shè)計一種基于GPS定位及太陽方位計算的的太陽自動跟蹤裝置，該裝置能自動跟蹤太陽的運動，保證太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面始終與太陽光線垂直，提高設(shè)備的能量利用率。與此同時加以風(fēng)力發(fā)電機輔助發(fā)電給蓄電池充電，進而在夜間給路燈提供電源。

2.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的機械構(gòu)成及工作原理

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)由太陽能電池板、減速電機、齒輪傳動機構(gòu)、基座等構(gòu)成?；饕魏凸潭ㄌ柲茏詣痈櫰?。當(dāng)太陽照射角度發(fā)生變化時，垂直方向（Y）和水平方向(X)的減速電機就會相應(yīng)的通電轉(zhuǎn)動，通過齒輪機構(gòu)傳動使太陽能電池板始終與太陽光線垂直，即獲取到最大的太陽光照能量。整個裝置由機械部分和控制部分組成。機械部分主要包括底座、主軸、齒輪和齒圈等如圖1所示。主要實現(xiàn)根據(jù)控制電路控制信號執(zhí)行相應(yīng)跟蹤動作等。

2.2 控制部分

主要由GPS接收、輔助光傳感器、單片機系統(tǒng)和電機驅(qū)動電路等。系統(tǒng)采用GPS模塊獲取當(dāng)?shù)氐臅r間日期等信息，用以計算實時的太陽方位，進而實現(xiàn)對太陽的根中同時借助輔助光傳感器檢測光照強度，在光強較弱時關(guān)閉系統(tǒng)以節(jié)約能源。驅(qū)動直流電機正反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)電池板對太陽的跟蹤。整機系統(tǒng)如圖2所示。

其中，核心部分是太陽能自動跟蹤裝置如圖3所示，利用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取裝置安裝地點的經(jīng)緯度、時間、日期等信息，根據(jù)太陽軌跡公式計算出太陽相對裝置的方位，用以驅(qū)動太陽能電池板對準(zhǔn)太陽，保持太陽光線時刻與太陽能電池板垂直，使太陽能利用率達到最高。與此同時，輔以光敏元件檢測光照強度，在光照不強的陰雨天氣等時候關(guān)閉機械驅(qū)動以節(jié)省電源。整個系統(tǒng)安裝方便，只需確保安裝位置水平，以及對準(zhǔn)南北方向即可，系統(tǒng)開啟即自動檢測并校準(zhǔn)機械驅(qū)動速度。并且系統(tǒng)信息可以通過無線方式遠(yuǎn)程傳輸?shù)浇K端上，可以通過終端遠(yuǎn)程隨時查看系統(tǒng)運行狀態(tài)。

其中，太陽電池板、風(fēng)力發(fā)電機提供整機的全部電力輸入。白天主控制器控制將太陽能電池板以及風(fēng)力發(fā)電機提供的電量給蓄電池充電。晚上，主控制器按照設(shè)定方式點亮LED路燈，若是夜間風(fēng)力足夠，風(fēng)力發(fā)電機可以同時提供路燈及蓄電池充電的電源。

GPS模塊輸出標(biāo)準(zhǔn)NMEA協(xié)議報文，一幀完整的報文數(shù)據(jù)如下：

利用51單片機接收報文，解析出時間、日期、經(jīng)緯度等信息，據(jù)此計算出太陽方位，控制驅(qū)動器對準(zhǔn)太陽方位，并且監(jiān)控驅(qū)動器工作狀態(tài)，防止電機堵轉(zhuǎn)等情況時繼續(xù)供電損壞電機及驅(qū)動器。

2.3 主控制器

采用STC公司的產(chǎn)品STC5A60S2，內(nèi)部帶有60K flash空間以及1280字節(jié)ram空間確保GPS解析及太陽方位計算的可靠運行，同時帶有AD功能，可直接通過光敏電阻檢測環(huán)境光線而不必另外增加adc轉(zhuǎn)換芯片。其引腳功能如圖4所示。

GPS接收部分采用了C3-370C模塊，直接輸出串口NMEA報文數(shù)據(jù)，極大地簡化了單片機的工作。如圖5所示：

從內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出，模塊帶有備份電池以及實時時鐘，可以極大地加快熱啟動的尋星定位速度。

2.4 太陽自動跟蹤部分主控制電路原理圖(圖6)

直流電機驅(qū)動部分采用L298雙H橋驅(qū)動器，L298外形及引腳功能如圖7所示。

2.5 電機驅(qū)動部分實際電路(圖8)

2.6 電機堵轉(zhuǎn)檢測電路

機械裝置置于室外工作，日曬雨淋時間長了容易發(fā)生故障，例如電機堵轉(zhuǎn)等，為防止電機堵轉(zhuǎn)時驅(qū)動器繼續(xù)供電導(dǎo)致電機或者驅(qū)動器損壞，設(shè)計了電機堵轉(zhuǎn)檢測電路，如圖9：

遠(yuǎn)程檢測終端部分，便于無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，電路如下(圖10、圖11)：主控制器采用了Atmel公司的產(chǎn)品AT89C51，基本功能與STC5A60S2相似，不再重復(fù)介紹。終端采用nokia5110液晶顯示器顯示信息，顯示內(nèi)容豐富，功耗低。并且根據(jù)主機傳來的時間信息，智能控制液晶背光開關(guān)，只在夜間開啟，進一步節(jié)省能源。

2.7 遠(yuǎn)程終端整機電路（圖12）

3.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)經(jīng)濟效益分析

中國太陽能資源非常豐富，太陽能資源開發(fā)利用的潛力非常廣闊。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。2009年3月23日，財政部、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部出臺《關(guān)于加快推進太陽能光電建筑應(yīng)用的實施意見》，并出臺了《太陽能光電建筑應(yīng)用財政補助資金管理暫行辦法》，決定有條件地對部分光伏建筑進行每瓦最多20元人民幣的補貼。2009年7月21日財政部、科技部、國家能源局聯(lián)合宣布在我國正式啟動金太陽示范工程，三部門聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于實施金太陽示范工程的通知》，決定綜合采取財政補助、科技支持和市場拉動方式，加快國內(nèi)光伏發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化和規(guī)?；l(fā)展，并計劃在2-3年內(nèi)，采取財政補助方式支持不低于500兆瓦的光伏發(fā)電示范項目?？梢?，在我國政府強有力的政策引導(dǎo)下，中國的太陽能光伏發(fā)電市場已經(jīng)開始啟動。

我們設(shè)計的該產(chǎn)品具有省略電纜鋪設(shè)投資，維護費用低的優(yōu)點。其相關(guān)費用計算如下：

（1）市電路燈每年費用

原來市電路燈100盞x500w=總功率50000瓦，每天照明12個小時等于一天耗電600度電，每年計算總耗電量為219000度電；219000度電x 1.5元=32.8萬元的電費；

（2）太陽能照明系統(tǒng)費用

一次投資改造后，平時不需要保養(yǎng)維護及其它費用，每年可節(jié)約32.8萬余元電費；太陽能電池板、風(fēng)力發(fā)電機等主要部件使用壽命為15年到20年，LED照明燈10年以上使用；鉛酸蓄電池使用壽命為3-5年。

圖1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的機械設(shè)計實物圖

圖2 整機拓?fù)鋱D

圖3 太陽自動跟蹤部分拓?fù)鋱D

圖4 STC12C5A60S2引腳功能

（3）改造10盞燈使用15年之比較

圖5 C3-370C GPS模塊內(nèi)部框圖

圖6 太陽自動跟蹤控制部分

圖7 L298引腳功能

圖8 太陽自動跟蹤電機驅(qū)動部分

表1 10盞燈使用15年之比較表

經(jīng)過改造后10盞燈15年就可節(jié)省開支444030元，隨著常規(guī)能源的價格不斷升高，常規(guī)能源的價格有進一步升高趨勢，其經(jīng)濟效益收益是十分顯著的。

本項目的預(yù)期目標(biāo)之二是社會效益。風(fēng)能太陽能互補路燈處處體現(xiàn)了現(xiàn)代化建設(shè)美化環(huán)境、保護環(huán)境的理念。安裝風(fēng)能太陽能互補路燈，迎風(fēng)飛轉(zhuǎn)的風(fēng)車不僅可以給道路一種動感的點綴，而且更能突顯我國人民崇尚環(huán)保、重視節(jié)能和跟蹤高新技術(shù)的理念。能向廣大師生和社會群眾進行新能源利用和生態(tài)環(huán)保知識的直觀教育，其社會效益更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法用金錢衡量的。

圖9 太陽自動跟蹤電機堵轉(zhuǎn)檢測部分

圖10 NOKIA5110液晶顯示器

圖11 RF 315M無線接收模塊

圖12 遠(yuǎn)程檢測終端電路

圖13 自動跟裝置軟件流程圖

5.結(jié)束語

針對設(shè)計實驗中發(fā)現(xiàn)的問題，總結(jié)可以改進的方面如下：

（1）加強系統(tǒng)機械強度，進一步增強實際使用的可靠性。

（2）考慮機械部件防雨雪、冰凍情況。

（3）優(yōu)化路燈開關(guān)程序，進一步提高節(jié)能水平。

（4）針對太陽自動跟蹤裝置基于視日運動規(guī)律要求機械部件精度高，不能實時檢測發(fā)現(xiàn)誤差的特點，增加光電傳感器跟蹤校正，綜合各自優(yōu)點，可以大大減小視日運動規(guī)律方式的局限性。

本項目介紹的太陽能-風(fēng)能互補發(fā)電儲能路燈控制系統(tǒng)可以有效地提高太陽能利用率，并且綜合利用了風(fēng)能，智能控制路燈開啟與關(guān)閉，有效提高太陽能、風(fēng)能等清潔能源的利用率，結(jié)構(gòu)安全可靠。經(jīng)過試驗、測試和實際使用，各項指標(biāo)均達到了設(shè)計要求。本系統(tǒng)設(shè)計的太陽自動跟蹤裝置是基于視日運動規(guī)律，為使系統(tǒng)具有更高的跟蹤精度，可進一步采用光電傳感器跟蹤校正，構(gòu)成由視日運動規(guī)律跟蹤和傳感器跟蹤的混合跟蹤系統(tǒng)。隨著太陽能自動跟蹤裝置的廣泛應(yīng)用，它定會有助于提高綠色能源利用的進程，為環(huán)境保護和提高人民的生活質(zhì)量做出更大的貢獻。

[1]張文濤.基于PLC的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2010-3.

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本文為“風(fēng)能與太陽能路燈系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用”項目的階段性成果。

陳國慶（1964—），男，廣東興寧人，大學(xué)本科，工學(xué)學(xué)士，講師，高級技師，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系副主任，主要研究方向：電氣自動化及節(jié)能技術(shù)。

韋抒（1960—），男，廣西貴港人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授，研究方向：自動控制系統(tǒng)及應(yīng)用。

李捷（1978—），男，廣西南寧人，碩士研究生，廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子與信息工程系講師，主要研究方向：電子信息技術(shù)。