太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計及優(yōu)化

徐崢悍，馬偉寧，韓陽，楊愛民，齊西偉

(1. 華北理工大學 冶金與能源學院，河北 唐山 063210；2. 華北理工大學 管理學院，河北 唐山 063210)

我國于上世紀末開始研制單軸太陽能跟蹤器，并且完成了對東西走向的自動跟蹤，接收器的信號接受和工作效率也因此得到顯著提高。美國加利福尼亞州在1998年成功研制了ATM兩軸式太陽能跟蹤器，在太陽能接收面板上安裝了一個集中式太陽光束的透鏡，通過這種方法可以使太陽能接收面板同時聚集到更多的太陽光束，顯著提高了太陽能利用率。近年來，國內(nèi)也有很多專家學者逐漸開展了這方面技術(shù)的研究：邱燕通過比較光電追蹤、視日運動軌跡跟蹤2種方式，選擇太陽能自動跟蹤系統(tǒng)方案，并完成了跟蹤系統(tǒng)的實驗驗證[1]；李嘉晟等人采STM32F103R8T6單片機的半遮擋式四象限光電檢測法結(jié)合始終控制法的雙軸太陽跟蹤控制系統(tǒng)，設(shè)定每15 min檢測一次天氣情況，判斷跟蹤方式，實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)在一定程度上提升了太陽能利用率[2]；董士韋等人采用光電追蹤方法，利用光敏器件采集不同位置的光照強度，利用電、機、光集成技術(shù)，實現(xiàn)方位角和高度角的雙軸跟蹤[3]。

目前，追蹤系統(tǒng)中實現(xiàn)追蹤太陽能量的方式有很多，但是普遍采用如下3種方式：一種是監(jiān)測視日運動軌跡追蹤，一種是光電追蹤方式，還有一種是兩者混合的追蹤方法。傳統(tǒng)的跟蹤方式一般都具有跟蹤效率低、實時性不強、應用場景單一等缺陷。該研究太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)對太陽光線的實時追蹤，設(shè)計應滿足以下要求：

(1)具備自動控制和手動控制2種模式；

(2)實時顯示當前光照的AD值；

(3)自動實時跟蹤太陽的行蹤并進行轉(zhuǎn)向；

(4)通過太陽能電池板給18650鋰電池進行充電，用于整個系統(tǒng)的供電。連續(xù)陰天，電池電量不充足時也可以通過5 V直流電源對系統(tǒng)進行供電。

1系統(tǒng)需求

1.1 研究方法

(1)明確設(shè)計任務和需求，查閱STC89C51單片機資料，整理光線采集模塊，按鍵模塊，步進電機驅(qū)動模塊，指示燈模塊等相關(guān)作用、線路圖等內(nèi)容；

(2)根據(jù)任務和所需要求，構(gòu)思可行的系統(tǒng)方案，使用visio繪出系統(tǒng)框圖，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 思路分析

設(shè)計單片機最小系統(tǒng)，包括STC98C51芯片，一個晶振電路和一個復位電路；然后設(shè)計步進電機驅(qū)動模塊，可同時控制2個步進電機的轉(zhuǎn)向，協(xié)調(diào)同步控制太陽能面板，使其可以全方位的旋轉(zhuǎn)，以便更加靈活追蹤太陽的照射方向；其次設(shè)計光照強度采集模塊，將光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；指示燈模塊設(shè)計，用于表明系統(tǒng)當前所處的模式，自動模式為綠燈，手動模式為紅燈；設(shè)計LCD顯示模塊，LCD1602液晶顯示4個光敏的光照AD值。軟件方面的設(shè)計，根據(jù)上述各個模塊的功能及要求，編寫程序，使其完成太陽光線自動和手動追蹤的任務；使用Proteus和Keil軟件進行仿真，再分模塊進行仿真測試，最終確定具體設(shè)計方案按以上思路進行硬件組裝并測試。

2設(shè)計方案

2.1 單片機最小系統(tǒng)

采用STC89C51作為控制芯片。根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計，滿足系統(tǒng)可以隨時改寫調(diào)整程序并且在斷電情況下可自主保護數(shù)據(jù)的要求，該設(shè)計采用STC89C51作為單片機芯片，同時該芯片還具有高效可靠，使用方便等優(yōu)點。由一個復位電路、一個晶振電路和一個電源電路組成單片機最小系統(tǒng)，其電路原理如圖2所示。

圖2 單片機最小系統(tǒng)電路圖

該芯片的工作電壓一般為3.8～5 V，且由40個I/O口和RAM、EEPROM、看門狗、2個16位定時/計數(shù)器等部分組成，由它集中處理各個模塊的數(shù)據(jù)，是本次設(shè)計的核心芯片；復位系統(tǒng)主要由獨立按鍵、10UF電解電容、10 kΩ電阻等部分組成，接于STC89C51芯片的RST口，主要用于將單片機恢復到原始設(shè)置狀態(tài)，且內(nèi)部的電子器件運行狀態(tài)全部初始化，所有數(shù)據(jù)全部清零；STC89C51芯片使用的晶振一般有2種規(guī)格，根據(jù)震動頻率不同可分為12 MHz和11.059 2 MHz，在該項設(shè)計中采用的是11.059 2 MHz晶體振蕩器。由于控制芯片內(nèi)有振蕩電路，所以在構(gòu)建晶振電路時，外部只需連接電容器和晶振即可，根據(jù)STC89C51芯片的特性，所連接的電容容量常用22 pF或30 pF。

2.2 步進電機驅(qū)動

由2個型號為28BYJ-48的步進電機和1個型號為ULN2803的步進電機驅(qū)動芯片組成步進電機驅(qū)動模塊，該模塊的功能是實現(xiàn)太陽能面板上下左右4個方向的轉(zhuǎn)動。步進電機作為一種用于轉(zhuǎn)向的專用電機，使用一般的交流電源或直流電源都不能正常工作，因而需要加上專用的步進電機驅(qū)動芯片進行驅(qū)動，控制電路和換相電路共同構(gòu)成步進電機的驅(qū)動電路。圖3是系統(tǒng)采用的步進電機驅(qū)動電路圖，選取ULN2803作為核心芯片，該芯片的輸入端為1號到8號引腳，輸出端為11號到18號引腳，接地端和電源端分別為9號、10號引腳。ULN2803的OUT口分別與2個步進電機的2、3、4、5口相連接，INT口與單片機的P2^0～P2^7相連。

圖3 步進電機電路圖

基本工作原理：若在IN1引腳輸入高電平信號，則18引腳輸出低電平信號；對應的，若IN1引腳輸入低電平信號，那么18腳輸出高電平信號。設(shè)計采用的步進電動機正常工作電壓是直流5 V，與驅(qū)動芯片的9號引腳相接，芯片其他引腳控制步進電機正向或者反向轉(zhuǎn)動。引腳輸入高電平經(jīng)處理后輸出低電平。一個ULN2803芯片可控制2個步進電機，完全符合本次設(shè)計的雙轉(zhuǎn)向軸的要求。

2.3 信號轉(zhuǎn)換模塊

光敏電阻是利用某些特殊材料在特定波長的光波下，電阻急劇減小的特性制作而成的一種電阻可以隨光照強度變化的電阻器。當光照強度發(fā)生變化時，其阻值將產(chǎn)生相應變化。光敏電阻可將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。同時光敏電阻是無任何正、負極性之分的電阻元件。光敏電阻位置分布情況如圖4所示。

圖4 光敏電阻位置示意圖

光敏電阻接收到光信號后將其轉(zhuǎn)換成對應的電信號，隨后單片機控制模塊將輸入的電信號進行分析運算后，步進電機驅(qū)動模塊即可接收其輸出的控制信號，進而步進電機旋轉(zhuǎn)以調(diào)整太陽能光板位置。模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片電路圖如5所示。假設(shè)上下左右的光敏電阻分別為CDAB，那么光敏電阻A就負責對左邊光照強度進行檢測，當A處的光照強度變?nèi)鯐r就會發(fā)送信號給光電轉(zhuǎn)換模塊，轉(zhuǎn)換為電信號后再把信號傳送給單片機控制模塊,經(jīng)其快速處理后，輸出信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動使太陽能光板跟著光線轉(zhuǎn)動。

圖5 PCF8591電路圖

2.4 總體設(shè)計

系統(tǒng)總體流程圖如圖6所示，進行定時器模塊、光電轉(zhuǎn)換模塊、步進電機驅(qū)動模塊的初始化，芯片掃描按鍵模塊進行手動、自動模式選擇，并有相應的指示燈提示當前模式狀態(tài)。

圖6 系統(tǒng)流程圖

2.5 步進電機工作模式

設(shè)計采用的是51單片機作為控制整個系統(tǒng)的核心部件，最終目的是根據(jù)光照強度快速準確地控制步進電機轉(zhuǎn)向。由光照強度不同而形成電壓差，可設(shè)4個方向光敏電阻元件探測到的電壓值分別為U1、U2、U3、U4，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換將電信號傳輸至單片機處理，判斷光照強度進而驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)向。步進電機驅(qū)動模塊流程圖如圖7所示。

圖7 步進電機流程圖

2.6 數(shù)模信號轉(zhuǎn)換模型構(gòu)建

數(shù)模信號轉(zhuǎn)換作為系統(tǒng)設(shè)計的重要組成部分，不同光信號由光敏電阻采集，轉(zhuǎn)換成電壓形式的數(shù)字信號，通過PCF8951芯片計算和內(nèi)部電壓采樣模塊采樣后，輸出數(shù)字信號送入STC89C51芯片中計算處理，最后STC89C51芯片輸出信號驅(qū)動步進電機動作。其流程圖如圖8所示。

圖8 模數(shù)信號轉(zhuǎn)換流程圖

作為系統(tǒng)設(shè)計的重要部分，設(shè)計的A/D轉(zhuǎn)換模塊芯片是PCF8951型號，有4路8位A/D輸入，屬于逐次比較型，內(nèi)含采樣保持電路，1路8位輸出，內(nèi)含有ADC數(shù)據(jù)寄存器。光敏電阻將采集的光信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊輸出為電壓形式，PCF8951芯片計算和內(nèi)部電壓采樣模塊采樣后，輸出數(shù)字信號進入STC89C51芯片中計算處理，最后STC89C51芯片輸出信號控制步進電機動作。

3系統(tǒng)功能展示與結(jié)果分析

按照仿真圖焊接實物圖：單片機芯片、LCD1602和步進電機的位置合理分配，背面的排線有條理性，避免雜亂。安裝按鍵、電阻等零件，在步進電機上安裝光敏電阻和太陽能電池板，完成后進行測試。圖9所示為太陽能電池板跟蹤系統(tǒng)整體實物情況，圖9中是各個模塊的排列情況，充分利用洞洞板的有限空間，盡可能用焊錫絲連接背面的電路，保證系統(tǒng)硬件線路的準確性。

圖9 硬件總體分布圖

首先進行四象光電檢測模塊的測試。當光照強度發(fā)生變化時,光敏電阻也產(chǎn)生相應的變化，可將接受到的光信號轉(zhuǎn)換成電信號。以手電筒作為模擬光源，光電信號指示燈即可隨光源強弱調(diào)節(jié)自身亮度。其次是手動/自動模式轉(zhuǎn)換調(diào)試。系統(tǒng)有五個按鍵，按鍵模塊由單片機控制，且可以在自動模式和手動模式中通過按鍵自由切換，并有相應的LED指示燈表示當前模式：紅色LED燈亮表示當前為手動模式 ，綠色LED燈亮表示當前為自動模式。中間按鍵是用于在自動模式和手動模式中切換，系統(tǒng)初始化默認為自動模式，在手動模式下可以通過四個方位按鍵控制電機的轉(zhuǎn)向。從而避免偶然事件的發(fā)生，進一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。最后進行光電跟蹤調(diào)試。用臺燈模擬太陽方位變化引導電池板進行轉(zhuǎn)動，跟蹤模型通過光敏電阻感知光照強度，隨后通過PCF8591模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片由單片機控制步進電機使太陽能電池板始終與光線保持垂直狀態(tài)。經(jīng)過以上步驟測試，證明該實物模型能夠按照設(shè)計要求較好的完成跟蹤任務。

可通過測量太陽高度角和方位角側(cè)面反映出系統(tǒng)的跟蹤精度，利用太陽角度計算器得出該系統(tǒng)所跟蹤的太陽高度角和方位角，并與日梭萬年歷中的數(shù)據(jù)進行對比。通過對安徽滁州地區(qū)氣象站日照時數(shù)資料整理發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)年日照時數(shù)較多，多年平均日照時數(shù)為5.9 h，年總?cè)照諘r數(shù)平均為2 130.9 h，且各個季節(jié)光照強度較為穩(wěn)定，便于測試自然條件下的跟蹤情況。經(jīng)過對該地區(qū)太陽高度角和方位角的測量與計算，結(jié)果如表1所示。

表1 太陽實際角度與測量角度對比

初始時系統(tǒng)設(shè)置為手動模式，紅色LED模式指示燈亮起，調(diào)節(jié)太陽能面板的初始位置，使之正對太陽升起方向，面板調(diào)節(jié)完畢后，系統(tǒng)設(shè)置為自動模式，綠色LED模式指示燈亮起。在該模式下，光敏電阻接受光信號后，由數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，計算形成電壓差。單片機控制模塊將輸入的電信號進行分析運算后自主判斷電壓大小，即光照強弱，再輸出控制信號給ULN2803控制芯片，進而控制雙軸步進電機旋轉(zhuǎn)太陽能光板位置，開始自動旋轉(zhuǎn)追蹤太陽光照，即可改變太陽光入射角度，并開始記錄。

由表1可知，雙軸跟蹤系統(tǒng)所測得的太陽角度與實際角度基本一致，絕對誤差不超過1°，均在可接受誤差范圍內(nèi)，充分說明雙軸跟蹤系統(tǒng)在對太陽角度的追蹤過程中符合太陽運轉(zhuǎn)規(guī)律，轉(zhuǎn)向精度符合設(shè)計要求，從而大幅提升太陽能的利用效率。

雙軸系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)勢在于能夠全方位的旋轉(zhuǎn)自動追蹤太陽的照射方向。雙軸跟蹤與單軸跟蹤太陽能電池板輸出功率如表2所示，同種條件下雙軸跟蹤系統(tǒng)的輸出功率一直高于單軸跟蹤系統(tǒng)的輸出功率，且均呈現(xiàn)上午逐漸上升，下午逐漸下降的變化趨勢，這與太陽在一天內(nèi)的能量輸出吻合。綜合計算12 h內(nèi)兩電池板的輸出功率，雙軸跟蹤系統(tǒng)的總輸出功率提升約33%。

表2 雙軸跟蹤與單軸跟蹤輸出功率

4 結(jié)論

(1)該設(shè)計采用一種雙軸跟蹤模式。光電檢測雙軸追蹤能夠自主調(diào)節(jié)太陽光入射角度，提高了系統(tǒng)的追蹤進度，進一步提升太陽能轉(zhuǎn)換效率。通過對自然條件的模擬，采用自動、手動模式隨意切換的設(shè)計，解決了一般跟蹤系統(tǒng)應用條件單一的問題，保證了裝置持續(xù)工作的穩(wěn)定性。

(2)提出了高效跟蹤太陽能軌跡的實踐方法，并且利用太陽能電池板給鋰電池進行充電，可用于整個系統(tǒng)的供電，自然條件不理想時可通過5 V直流電源提供能量來源，在沒有額外電源輸送時依然能自主工作。

(3)雙軸跟蹤系統(tǒng)2個步進電機通過小角度動作，對太陽能電池板的旋轉(zhuǎn)控制在跟蹤精度上有了明顯的提升，其輸出功率對比單軸跟蹤系統(tǒng)提升約33%，這將進一步改善太陽能的利用效率。