太陽能電池板角度控制系統(tǒng)的研究與設計

張朝陽，徐敬龍

(吉林師范大學 信息技術學院，吉林 四平 136000)

0 引言

隨著經(jīng)濟和現(xiàn)代化的高速發(fā)展，社會對能源的需求量也越來越大，而煤、石油等傳統(tǒng)化石能源正日益枯竭，而且容易引起霧霾等嚴重的大氣污染問題．相比之下，太陽能則是一種取之不竭的可再生能源，具有清潔、無污染、分布廣泛、儲量豐富等優(yōu)勢．利用太陽能發(fā)電已是未來能源開發(fā)的趨勢．目前大多數(shù)的太陽能電池板都采用類似于太陽能熱水器的“A”形方式，不利于太陽光的充分利用，限制了太陽能發(fā)電的推廣應用．基于此設計一種基于51單片機的簡易太陽能電池板角度控制系統(tǒng)，使得太陽能電池板平面與太陽光線始終在一定誤差內保持垂直，提高太陽能電池板的發(fā)電效率．

1 太陽能電池板角度控制系統(tǒng)的硬件設計

本系統(tǒng)主要由光線探測、微控制器、電機驅動和太陽能采集裝置等模塊組成．

(1)太陽能采集裝置.搭建平行陣列采集裝置，它由聚光電池陣列、架體等組成．若干聚光電池經(jīng)過串并聯(lián)后平行排列在電池板上，構成電池陣列．通過加裝折射式聚光器如菲涅爾透鏡，可以使較大面積的太陽光會聚在一個較小的范圍內，形成“焦帶”或“焦斑”，并將太陽能電池置于這種“焦斑”或“焦帶”上，可以獲得更多的電能輸出．這樣，不僅對太陽光進行聚焦，而且對電池組件起到了保護作用[1-3]．平行陣列在跟蹤過程中對于太陽光線垂直于電池板的精度要求不高，有較大的容錯率，整體成本較低．

(2)光線探測模塊.采用光強比較法，其原理是光強度發(fā)生變化，光敏電阻的阻值隨之變化．可以使用多個光敏電阻構成探測陣列，微控制器會根據(jù)陣列不同的響應，對電機進行相應控制，使得太陽光垂直照射到平面上．該方法具有測量精度高、電路簡單、成本低廉和易于實現(xiàn)等特點．

本設計選用型號為MG42-5的光敏電阻器[2-4]，其最高工作電壓為20 V，額定功率5 mW，亮電阻≤20 kΩ，暗電阻≥2 mΩ．系統(tǒng)光線探測模塊的圓筒式光電傳感器結構如圖1所示．

圖1 光敏探測模塊

它主要由8個光敏電阻和一個不透光的空心圓筒及底座組成．在圓筒的外側，東、南、西、北四個方向上分別對稱固定4只光敏電阻．其中M1、M3對稱安裝在圓筒的東西兩側，用來粗略的檢測太陽光在水平面的垂直投影線偏轉角；M2、M4 則對稱安裝在圓筒的南北兩側，用來粗略檢測太陽的視高度即仰角．在圓筒內側，東、南、西、北四個方向上也分別對稱布置4只光敏電阻，用來精確檢測太陽由東往西運動的偏轉角度和太陽的仰度[4-6]．圓筒的高度決定測量的精度，相同直徑的圓筒，長度越長，到達圓筒底部的光線夾角越小，即精度越高．但是太高的精度則導致跟蹤裝置不斷轉動，消耗電能．經(jīng)過理論計算，采用的圓筒直徑為1 cm時，高度應為5 cm．當處理器采樣到對稱光敏電阻的大小不等，則太陽能電池板轉向阻值小的一側，直到對稱電阻大小相等，即此時太陽光垂直或近似垂直于太陽能電池板．在此基礎上，光敏電阻只需外加一個上拉電路，即可把光信號轉化為電信號傳給微控制模塊[6]．

(3)微控制模塊.本設計的微控制芯片采用MPC82G516單片機實現(xiàn)[7-10]．它是一種自帶AD轉換器的64K字節(jié)存儲器的8位微處理器芯片，可以反復擦除、燒寫1 000 多次，可以很好的滿足本系統(tǒng)的設計要求，其外圍電路及引腳連接如圖2所示．

圖2 單片機引腳分布及最小系統(tǒng)電路圖

(4)電機驅動模塊.本設計采用ULN2003作為步進電機的驅動，成本低，而且穩(wěn)定．步進電機驅動電路如圖3所示．本設計中太陽能電池板的角度調節(jié)正是依靠于支架上水平軸步進電機和仰角軸步進電機的合理轉動來實現(xiàn)[11-12]．

2 太陽能電池板的角度控制系統(tǒng)的軟件設計

本系統(tǒng)的整體程序設計思想是首先光線探測模塊通過光電傳感器完成太陽光線相關參數(shù)采集，并傳送給微控制模塊，微控制器將接收到的光線參數(shù)信息經(jīng)過計算處理，向電機驅動模塊發(fā)送控制指令，分別驅動太陽能電池板的水平軸和仰角軸，實現(xiàn)對電池板角度的調節(jié)，使電池板平面與太陽光線的夾角維持90°，提高太陽能電池板的發(fā)電效率．系統(tǒng)整體流程圖如圖4所示．

圖3 步進電機驅動電路

圖4 系統(tǒng)整體流程圖

由于探測模塊特殊的結構，不同方向的陽光照射會使各個光敏電阻發(fā)生不同變化．通過上拉電壓，就可以把光信號轉為相應電壓信號，再通過控制芯片即單片機內部的10位A/D轉換功能，進一步運算處理得到較為精確的數(shù)字量光線參數(shù)．探測、辨別部分程序如下：

unsigned char ADC (uchar channel)

{

unsigned char AD_finished; //存儲A/D轉換標志

unsigned char ADC_DATA=0;//存儲A/D轉換結果

ADCTL=(0XE0|channel);//選擇A/D當前通道

P1M0|=1;P1M1&=0XFE;//配置P1.0為只輸入模式

AUXR&=0XBF; //ADRJ=0:ADCH包含高八位；ADCL包含低2位

Delay1ms(); //使輸入電壓達到穩(wěn)定

Delay1ms();

Delay1ms();

ADCTL|=0x08;//令ADCS=1,啟動A/D轉換

AD_finished=0;

while(AD_finished==0) //等待A/D轉換結束

{//0001,0000,ADCI==1測試A/D轉換是否結束

AD_finished=(ADCTL&0x10);

}

ADC_CONTR&=0x7F;//令ADCON=0,關閉A/D轉換

return(ADC_DATA); //返回A/D轉換結果

}

3 數(shù)據(jù)測量和系統(tǒng)調試

對各個獨立模塊進行模擬測量，即通過給定相關參數(shù)，觀察、測量、記錄各模塊的相應變化，現(xiàn)得結果如下：

(1)光的強度在AM1.5時，通過施加不同入射方向的光信號，比較探測模塊的靈敏度，發(fā)現(xiàn)、入射方向接近90°時，探測模塊靈敏度最高，見表1．

表1 AM1.5下不同角度測量數(shù)據(jù)

(2)外加電源并給出相應控制信號，測試微控制模塊的相應功能．經(jīng)調試，達到了信號輸出0.1 s以內，電機驅動0.5 s以內的延時要求，見表2．

表2 不同控制信號下電機反應時間

(3)輸入確定角度信號，測量雙軸轉向支架的朝向角．經(jīng)過對支架的傳動連接部分的校對，達到3°的精度要求，見表3．

表3 AM1.5下不同角度測量數(shù)據(jù)

(4)把各個模塊組合成一個整體，并進行實際情況下的綜合調試．選擇陽光充足的晴朗天氣，把系統(tǒng)置于陽光下，觀察、測量電池板與太陽光入射方向夾角，在不同時段對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行詳細記錄．經(jīng)過多次不同情況下的調試，本系統(tǒng)已能實現(xiàn)在誤差5%以內對太陽光線入射角度的有效追蹤，電池板發(fā)電效率明顯高于固定電池板，見表4．

表4 不同時間下板固定和移動的測試數(shù)據(jù)

4 總結

本文設計出基于51單片機的太陽能電池板角度控制系統(tǒng)，經(jīng)過模擬仿真和實際測試，系統(tǒng)穩(wěn)定，結構簡單，價格低廉，角度調節(jié)精度±5°，完成太陽能電池板對太陽光的智能跟蹤，提高了電池板的發(fā)電效率．

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