向日跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

王彬

摘 要：文中介紹了向日跟蹤控制系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計了光強(qiáng)信號采集與轉(zhuǎn)換、直流電動機(jī)控制、水平軸和垂直軸的轉(zhuǎn)角控制及串行通信等電路，在設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路的基礎(chǔ)上，對跟蹤系統(tǒng)軟件進(jìn)行了設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了單體系統(tǒng)對太陽能向日跟蹤的控制，該向日跟蹤控制系統(tǒng)的不具備多臺控制的網(wǎng)絡(luò)控制功能以及遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)控制功能。

關(guān)鍵詞：向日跟蹤 自動控制 微處理器

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（b）-0000-00

引言：

節(jié)約能源是我國基本國策，為緩解能源緊張，滿足日益增長的電力負(fù)荷需求，必須充分利用可再生能源，大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電技術(shù)。要降低光伏發(fā)電成本，除了提高光伏電池裝置的能量轉(zhuǎn)換率，還可以設(shè)計向日跟蹤系統(tǒng)，讓光伏陣列跟隨太陽的運(yùn)動而運(yùn)動，接收最大輻射能量，可以有效提高發(fā)電量20%-40%，這也是降低光伏發(fā)電成本的有效途徑。因此，研究向日自動跟蹤系統(tǒng)具有重要意義。

1 控制系統(tǒng)基本原理

要實(shí)現(xiàn)對太陽自動跟蹤，就必須對地面上的太陽能電池板的采光面進(jìn)行調(diào)整，在跟蹤系統(tǒng)工作時，該系統(tǒng)主要以單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，利用光電傳感器信號采集與轉(zhuǎn)換電路判斷出太陽光線的入射角度，由處理器發(fā)出相應(yīng)的控制指令控制對應(yīng)的俯仰、水平雙軸傳動機(jī)構(gòu)，調(diào)整電池板的角度，使其垂直于太陽光線，完成對太陽的跟蹤動作[1]，原理框圖如圖1 所示。

如圖1所示，利用光電傳感器采集光信號，把變化的光線強(qiáng)度信號轉(zhuǎn)換為電路中的電信號，轉(zhuǎn)換后的電信號被送入控制系統(tǒng)的單片機(jī)，由單片機(jī)根據(jù)信號的變化控制高度角變換和方位角變換的傳動機(jī)構(gòu)，從而控制太陽能電池板的空間姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動跟蹤。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

（1）信號的采集與轉(zhuǎn)換電路

向日跟蹤系統(tǒng)的信號采集實(shí)際上是光強(qiáng)的信號采集，設(shè)計一個簡單的電路可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對信號采集的需要，該信號采集電路包括電源、光敏二級管、滑動變阻器和一個電壓比較器。轉(zhuǎn)換電路可根據(jù)跟蹤精度要求選擇ADC，一個 8 位的 ADC 的精度小于0.02V，光線強(qiáng)度的變化引起電路電壓值變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 0.02V，因此8位的ADC就能實(shí)現(xiàn)本設(shè)計要求（如果跟蹤精度不夠，可以選用更高分辨率的 ADC）。針對本設(shè)計的跟蹤精度、經(jīng)濟(jì)需要，實(shí)際設(shè)計中采用 ADC0808 芯片作為控制電路中的ADC [2]，轉(zhuǎn)換電路如圖2所示。

（2）直流電機(jī)控制電路

因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有良好的線性特性、優(yōu)異的控制性能等特點(diǎn)，所以大多數(shù)變速運(yùn)動控制和閉環(huán)位置伺服控制系統(tǒng)都選擇直流電動機(jī)提供動力源，本文機(jī)械部分的機(jī)械運(yùn)動也由直流電動機(jī)提供動力源，采用 L293D控制芯片對電動機(jī)控制，控制直流電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向，以便控制向日電池板的姿態(tài)，其水平運(yùn)動和垂直運(yùn)動由L293D的兩路輸出分別控制，電路如圖 3所示[3]。

（3）轉(zhuǎn)角的控制電路

跟蹤時，需要控制水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)角，因此需要兩個傳感器來測量水平軸和垂直軸的轉(zhuǎn)角，利用可調(diào)電阻器便可實(shí)現(xiàn)對軸轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)角的測量，把可調(diào)變阻器的調(diào)整端與軸接在一起，轉(zhuǎn)動軸使可調(diào)電阻的調(diào)整旋鈕產(chǎn)生轉(zhuǎn)動，從而使電阻器阻值隨軸的轉(zhuǎn)動而變化，測量機(jī)械運(yùn)動的轉(zhuǎn)角，通過采集到的數(shù)據(jù)和角度進(jìn)行關(guān)系換算，然后調(diào)整電機(jī)的控制脈沖便可以對機(jī)械運(yùn)動的轉(zhuǎn)角進(jìn)行控制[3]，轉(zhuǎn)角控制電路如圖4所示。

（4）串行通信電路

在跟蹤太陽過程中，單片機(jī)對太陽的高度角和太陽方位角跟蹤時，需要建立單片機(jī)和計算機(jī)的通信，即跟蹤過程的控制信號及傳感器信號發(fā)送給計算機(jī)，然后計算機(jī)再進(jìn)行處理和保存。在自動跟蹤過程中，可根據(jù) RS232標(biāo)準(zhǔn)，建立單片機(jī)和PC 機(jī)通信，采集的傳感器感光板所需調(diào)整信號經(jīng) RS-232 送入 PC 機(jī)，單片機(jī)調(diào)整跟蹤太陽的高度角、方位角參數(shù)送入 PC 機(jī)，然后由 PC人機(jī)交互程序存入數(shù)據(jù)庫記錄。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

由于太陽光的時變性以及外界的擾動導(dǎo)致采集的數(shù)字量波動比較大，因此可以采用軟件編程的方法，使其在一個小的范圍內(nèi)保持穩(wěn)定。具體軟件流程圖如圖5所示[4]。

4 小結(jié)

向日跟蹤控制系統(tǒng)性能的好壞直接影響太陽能利用效率的高低，本文設(shè)計的太陽能向日跟蹤控制系統(tǒng)是單獨(dú)的系統(tǒng)，沒有多臺網(wǎng)絡(luò)控制功能和遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)控制功能，對于網(wǎng)絡(luò)控制及遠(yuǎn)程互聯(lián)網(wǎng)控制的太陽能向日跟蹤系統(tǒng)還有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

[1] 許啟明，馮俊偉，宮明.太陽能利用跟蹤技術(shù)的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，

2011，39（10）：6294-6297

[2] 趙麗偉.太陽自動追蹤系統(tǒng)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2007：6-10.

[3] 張河新，郎龍軍，李建朝.太陽能自動跟蹤傳感器的研究.新能源產(chǎn)業(yè)[J].2010，（3）：27-29

[4] 薛建國.基于單片機(jī)的太陽能電池自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J].長春師范學(xué)院學(xué)報，2005，24（3）：26-30