船用太陽能自動跟蹤研究與應(yīng)用

郭志磊 徐克寶

【摘要】為提高海上太陽能的利用率，達到節(jié)約能源、減少海上環(huán)境污染的目的，設(shè)計了一種基于單片機MSP430的船用太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。該技術(shù)采用全球定位系統(tǒng)和電子指南針定位相結(jié)合的方法，再加以光電檢測輔助，通過單片機控制步進電機帶動機械結(jié)構(gòu)完成對太陽方位的跟蹤。系統(tǒng)可以適應(yīng)海上環(huán)境的變化，在夜間或天氣不利的情況下自動進入待機狀態(tài)，保證了系統(tǒng)的可靠性。

【關(guān)鍵詞】MPS430;太陽能;自動跟蹤;光電檢測

引言

傳統(tǒng)能源的枯竭以及全球溫室效應(yīng)的加劇促使人類在尋求新能源的道路上，發(fā)現(xiàn)太陽能無疑是一種清潔無污染的可持續(xù)利用的新能源，并且儲備量相當(dāng)大，開發(fā)前景可觀，尤其是海上太陽能資源。太陽能資源在海上非常豐富，既可免費使用，又無需運輸，而且對環(huán)境無任何污染。采用太陽能自動跟蹤技術(shù)，可以適應(yīng)海上環(huán)境變化，更加有效的利用太陽能資源，而且還可以緩解對傳統(tǒng)能源需求的壓力，減少船舶對海上環(huán)境的污染。隨著近年來太陽能光伏技術(shù)的飛速發(fā)展以及逐漸走向成熟，也給太陽能更廣泛的實用帶來了契機、奠定了基礎(chǔ)。

1.自動跟蹤設(shè)計

1.1 自動跟蹤原理

對于船用太陽能板跟蹤系統(tǒng)而言，需要對水平方向方位角和垂直方向仰角兩個方向進行跟蹤，故采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。由于在海上船舶出現(xiàn)前后傾仰以及左右搖擺的頻率相對比較高，若對太陽方位進行實時跟蹤，必然造成跟蹤調(diào)節(jié)頻率過高，不但消耗較多電能，同時對跟蹤機構(gòu)也不利。根據(jù)船體前后傾仰和左右搖擺的幅度計算，對太陽方位采用區(qū)域內(nèi)定位跟蹤，完全可以滿足系統(tǒng)需求，并提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。系統(tǒng)單片機首先讀取GPS模塊時間信息，判斷白天黑夜，若是白天，則采用光電檢測模塊檢測陰晴天，若光照較強，則系統(tǒng)進入自動跟蹤狀態(tài)：由單片機根據(jù)GPS模塊對某地區(qū)經(jīng)緯度及時間的檢測數(shù)據(jù)通過內(nèi)設(shè)函數(shù)計算出太陽方位，然后根據(jù)電子指南針的檢測數(shù)據(jù)，將太陽能板調(diào)整至相應(yīng)方位角位置，最后結(jié)合光電檢測模塊控制步進電機將太陽能板調(diào)整到相應(yīng)仰角位置。若在黑夜或者系統(tǒng)長時間處于微弱或無光條件下，則進入待機狀態(tài)。

圖1 光照傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 光照檢測模塊設(shè)計

光照傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

光照檢測模塊采用圓形結(jié)構(gòu)，在表面水平放置四個性能完全相同的光敏二極管P1、P2、P3、P4，兩兩對稱，主要用于檢測不同方向太陽光照的強弱從而判斷陰晴天。光敏二極管中間放置遮光板，用于不同方向的遮擋作用，通過調(diào)節(jié)光敏二極管與遮光板的相對位置，可以擴大監(jiān)測范圍提高檢測靈敏度。

1.3 自動跟蹤機械結(jié)構(gòu)示意圖

圖2所示為跟蹤機械結(jié)構(gòu)示意圖：

1-輪子 2-固定圓筒 3-水平轉(zhuǎn)軸 4、8-步進電機 5、9-渦輪蝸桿 6-支撐圓筒 7-三角架 10-太陽能電池板 11-游絲 12-半圓齒輪 13-立柱 14-電池板安裝架

圖2 自動跟蹤機械示意圖

圖3 電機驅(qū)動局部電路

跟蹤機構(gòu)由步進電機和渦輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)組成，渦輪蝸桿具有自鎖功能，由步進電機進行驅(qū)動，能更精確的對太陽進行跟蹤。其中步進電機4帶動渦輪蝸桿5轉(zhuǎn)動，在水平方向跟蹤太陽;仰角跟蹤由步進電機8帶動渦輪蝸桿9在垂直方向跟蹤太陽。

圖4 GPS定位電路

圖5 光照檢測及機械零點輔助電路

圖6 主程序和子程序

2.系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件設(shè)計主要由單片機MSP430F149、步進電機驅(qū)動電路、GPS定位模塊、光照檢測電路及其輔助電路等組成。

2.1 電機驅(qū)動電路

主要由單片機、步進電機驅(qū)動電路以及輔助電路組成，局部電路如圖3所示。MSP430F149單片機具有超低功耗特性，用于收集并處理各種數(shù)據(jù)信息，控制步進電機跟蹤太陽。電機驅(qū)動芯片采用THB6064，一款高性能兩相混合式步進電機驅(qū)動芯片，具有低噪音、震動小、大功率等特性。單片機與驅(qū)動芯片之間通過高速光耦6N137進行電平轉(zhuǎn)換并起到隔離保護作用，撥碼開關(guān)控制電機的細分和衰減功能。單片機采用專用復(fù)位芯片MAX809，保證了系統(tǒng)的可靠性;串行存儲器24LC02B用于記錄一些配置信息或者運行參數(shù)。圖中只給出一路步進電機驅(qū)動電路，另一路類似，不再重復(fù)。

2.2 GPS定位模塊

主要由GPS 25LP模塊和顯示電路LCD12864組成，如圖4所示。GPS模塊檢測當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度、時間、高度等信息，并通過單片機用匹配液晶LCD12864進行顯示，LED燈可以檢測GPS模塊是否正常工作。RP1用于調(diào)節(jié)對液晶對比度。

2.3 光照檢測及機械零點輔助電路

光照檢測電路如圖5所示，OP284是單電源高精度軌到軌放大器，具有低噪、低漂移等特性，能夠很好的實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。電信號經(jīng)過濾波再放大，然后將V0值送入單片機P6口與內(nèi)設(shè)光照度閥值E進行比較，若VO>E則繼續(xù)跟蹤定位，否則系統(tǒng)進入待機狀態(tài);另外四個光敏二極管也可以檢驗方位角跟蹤的準(zhǔn)確度。HAL13S是微功耗霍爾傳感器，通過兩片芯片分別確定方位角和仰角的機械零點，便于機械零點復(fù)位與跟蹤控制。

3.軟件設(shè)計

初始化以后，首先讀取GPS模塊時間信息，白天到了且光照較強則讀取經(jīng)緯度信息，計算出太陽方位，再結(jié)合電子指南針信息，調(diào)整方位角位置，然后再次根據(jù)光電模塊檢測信息繼續(xù)調(diào)整仰角位置，從而提高系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)主程序流程圖和子程序圖如圖6所示。

4.結(jié)束語

系統(tǒng)通過GPS和電子指南針定位相結(jié)合的方法實現(xiàn)了對太陽的自動跟蹤，利用光電檢測提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性。系統(tǒng)可以適應(yīng)天氣變化的影響，在更廣闊的海上區(qū)域內(nèi)利用太陽能，從而大大提高海上船用太陽能的利用率。將太陽能轉(zhuǎn)換成電能儲存，可以對船用電器進行供電，解決部分能源問題，減少海上污染?？梢苿幼詣痈櫶幚淼姆绞皆诂F(xiàn)場應(yīng)用中具有廣泛的可移植性，隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，該技術(shù)的廣泛應(yīng)用將會帶來更多效益。

參考文獻

[1]毛桂生.太陽能電池板自動追蹤系統(tǒng)的研究[D].華南理工大學(xué)，2010.

[2]王立婷.光電檢測電路的設(shè)計及實驗研究[D].吉林大學(xué)，2007.

[3]趙杰.基于超聲電機的雙軸太陽能跟蹤系統(tǒng)[D].南京航空航天大學(xué)，2012.

[4]龔涵，陳浩宇.微弱光信號檢測電路的設(shè)計與實現(xiàn)[J].機械與電子，2007（27）：85-87.

[5]孟赟.太陽能電池模擬電源的研究與設(shè)計[D].上海交通大學(xué)，2008.

作者簡介：

徐克寶（1954—），男，山東青島人，教授，現(xiàn)供職于山東科技大學(xué)，主要從事測控技術(shù)與機電一體化教學(xué)與研究。

郭志磊（1989—），男，河南濮陽人，碩士研究生在讀，主要從事測控技術(shù)研究。