0 引言

　　近年世界各國(guó)相關(guān)機(jī)構(gòu)努力開展對(duì)新能源的開發(fā)和利用，太陽能具有廣闊的發(fā)展前景[1-2]。如何最大限度地提高太陽能電池板的利用率，仍為國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。研究表明，精確地自動(dòng)跟蹤太陽可使太陽能設(shè)備的能量利用率大大提高[3]，自動(dòng)跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，成本下降25%[4]。但目前太陽能發(fā)電的實(shí)際應(yīng)用中依然存在一些技術(shù)問題，如固定式太陽能電池板、單軸追蹤式太陽能電池板效率低，日軌跡追蹤法算法復(fù)雜且抗干擾性能差等問題[5]。太陽跟蹤的方式主要有光電式和機(jī)械式，光電式為被動(dòng)跟蹤，其精度較低；而機(jī)械式為主動(dòng)跟蹤，其原理是通過程序計(jì)算出太陽位置，控制步進(jìn)電機(jī)來跟蹤太陽。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)采用機(jī)械式跟蹤，但此法中因無檢測(cè)機(jī)構(gòu)，使得累計(jì)誤差逐漸增大，效果并不十分理想[5-6]。另外，太陽電池發(fā)電時(shí)其溫度隨外界氣象條件變化而變化，當(dāng)電池溫度升高，會(huì)引起光伏電池發(fā)電效率下降[7]，當(dāng)溫度從25℃升至60℃時(shí)，太陽能電池板的輸出功率下降25%[8]，因此有必要對(duì)太陽能電池板溫度進(jìn)行監(jiān)控并采取散熱措施。

　　針對(duì)上述機(jī)械和效率問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于IAP15F2K61S2單片機(jī)最小系統(tǒng)和“3+1”象限光敏傳感器及考慮電池溫度的雙軸跟蹤太陽能發(fā)電系統(tǒng)，從而達(dá)到提高太陽能發(fā)電效率的目的。

1 自動(dòng)追光系統(tǒng)的方案選擇和總體設(shè)計(jì)

　　1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　系統(tǒng)由以IAP15F2K61S2[9]為核心的控制芯片、太陽能電池板、雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)、能量控制器、蓄電池、逆變器和無線串口模塊等主要部分構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　系統(tǒng)由3塊IAP15F2K61S2控制芯片組成，在圖1中處于中心位置的為控制總核心，作為主機(jī)，能與圖1中左右兩側(cè)的1號(hào)從機(jī)、2號(hào)從機(jī)進(jìn)行通信；主機(jī)主要起信息收集、傳遞和交換作用，同時(shí)通過無線模塊與上位機(jī)進(jìn)行無線串口通信。1號(hào)從機(jī)實(shí)現(xiàn)雙軸自動(dòng)追光、實(shí)時(shí)位置記錄、事故掉電保存數(shù)據(jù)、手動(dòng)和自動(dòng)復(fù)位等功能。2號(hào)從機(jī)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)電壓、電流的采樣、監(jiān)控、與市電自動(dòng)切換、電池板溫度采集和數(shù)碼顯示等功能。

　　1.2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　如圖2為設(shè)計(jì)的雙軸旋轉(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)，電路控制部分集中置于作為支撐底座的控制箱中。電池板支架管上套有齒輪和步進(jìn)機(jī)1轉(zhuǎn)軸的齒輪連接。絲桿和步進(jìn)機(jī)2同軸固定，支撐桿與電板連接。傳感器置于電池板邊沿，與太陽能電板平行。

　　支架主材采用機(jī)械強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的亞克力有機(jī)玻璃，選擇絲桿作為機(jī)械傳動(dòng)部件，較小的轉(zhuǎn)矩就能達(dá)到傳動(dòng)的要求和目的。該設(shè)計(jì)能耗低，使電機(jī)選型小型化、小功率化，系統(tǒng)制造成本低。

　　1.3 光影傳感器的設(shè)計(jì)與制作

　　1.3.1 光影跟蹤原理

　　本文設(shè)計(jì)一種“3+1”象限式光影傳感器來調(diào)整電池板的空間姿態(tài)，原理示意如圖3所示。

　　1、2、3為三象限光敏二極管，當(dāng)太陽光照射方向與傳感器平面不垂直時(shí)，在感光板不同象限平面上形成長(zhǎng)度和形狀不同的影子。太陽從由東向西運(yùn)動(dòng)(圖3中由右向左)，在1與2之間的遮光板遮光作用下，在感光板2和3平面上形成一定形狀的影子，此時(shí)調(diào)整傳感器水平方向上的角度；當(dāng)光線與1與2之間的遮光板平行時(shí)，表明光線已垂直照在感光板1與3水平連接線上，此時(shí)垂直角度調(diào)整完成。接著，再次判斷太陽光線是否能夠同時(shí)垂直照射在感光板2和3上，進(jìn)而調(diào)節(jié)電池板的角度。在這一系列調(diào)整過程中先進(jìn)行垂直方向的追蹤，再進(jìn)行水平追蹤，由此完成系統(tǒng)的跟蹤過程。但追光裝置的實(shí)際運(yùn)用過程中，如果人為操作或其他外界擾動(dòng)因素導(dǎo)致電池板背面朝向太陽光，使得光影傳感器1、2、3象限的光照強(qiáng)度幾乎一致，系統(tǒng)控制器無法對(duì)太陽能電池板的追光角度進(jìn)行調(diào)整。為解決該問題，須在電池板的背面裝設(shè)一個(gè)光敏二極管（該背面定義為第4象限）。當(dāng)電池板背面朝向太陽光時(shí)，太陽光直射第4象限光敏二極管，而第1、2、3象限處于背光位置，此時(shí)控制系統(tǒng)將通過指令控制縱軸旋轉(zhuǎn)180°，從而使跟蹤系統(tǒng)以電池板正面重新追蹤光線角度，避免系統(tǒng)出現(xiàn)跟蹤死區(qū)。

　　1.3.2 “3+1”象限光影傳感器制作

　　太陽光線照射形成的影子長(zhǎng)短和太陽入射角度、導(dǎo)致產(chǎn)生影子的物體高度有關(guān)，如圖4所示。

　　太陽入射角可由式(1)計(jì)算。式中，d為影子長(zhǎng)度，H為物體高度，?琢表示太陽入射角。

　　因此根據(jù)d、H和 3個(gè)參數(shù)進(jìn)行光影傳感器設(shè)計(jì)：當(dāng)太陽光線垂直于感光板，太陽入射角為90°，影子的長(zhǎng)度為零。若把H的值設(shè)為固定值，則當(dāng)太陽入射角越大，影子的長(zhǎng)度越短；反之，太陽入射角越小，影子的長(zhǎng)度越長(zhǎng)。跟蹤角度精度J由式(2)計(jì)算：

　　在本設(shè)計(jì)中光敏二極管的直徑為3 mm，1與2之間的遮光板與光敏二極管安裝孔1中心的距離為3 mm，光敏二極管安裝孔2和3中心與長(zhǎng)、短兩塊遮光板的距離均為4 mm，算得本設(shè)計(jì)制作的傳感器跟蹤精度J約為1.1°。同樣，可根據(jù)實(shí)際所需要的跟蹤精度要求由式(2)來計(jì)算出需要的遮光板參數(shù)，設(shè)計(jì)出需要的遮光板高度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

　　2.1 能量監(jiān)控及切換電路設(shè)計(jì)

　　由于天氣、晝夜等因素，當(dāng)太陽能發(fā)電電量不足，負(fù)載必須切換接入其他電源或市電，以保持負(fù)載供電連續(xù)性。由此設(shè)計(jì)了能量監(jiān)控和不斷電自動(dòng)切換電路，如圖5所示，系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)A端電壓進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣值低于設(shè)定值時(shí)，表明蓄電池電量不足，繼電器S2閉合，延時(shí)一定時(shí)間，繼電器S1斷開，此時(shí)負(fù)載由市電繼續(xù)供電，同時(shí)市電指示燈LED1亮，負(fù)載工作在市電供電狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)電量恢復(fù)之后，S1閉合，延時(shí)一定時(shí)間， S2斷開，此時(shí)負(fù)載恢復(fù)到蓄電池供電，同時(shí)蓄電池指示燈LED0亮。二極管D1、D2的作用是保證LED0、LED1正確指示。

　　2.2 降溫除塵系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　本文采用18B20溫度傳感器，外圍電路如圖6所示，該傳感器僅通過一線(DQ線，稱為數(shù)據(jù)線)與單片機(jī)I/O口相連，經(jīng)過程序驅(qū)動(dòng)處理即可測(cè)量電池板溫度的溫度值。當(dāng)溫度值大于設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)循環(huán)水對(duì)電池板進(jìn)行降溫。

　　2.3 數(shù)據(jù)保存模塊電路設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)不使用外加位移傳感器、編碼器等方法記錄電池板的運(yùn)行軌跡，而是采用單片機(jī)程序算法實(shí)現(xiàn)。但在系統(tǒng)故障掉電或人為關(guān)機(jī)后再一次上電時(shí)，單片機(jī)將復(fù)位，程序初始化，原本記錄的數(shù)據(jù)將會(huì)被清除，導(dǎo)致此后記錄到的位置信息有可能和實(shí)際的位置信息不一致。為解決這一局限問題，系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)I2C串行總線AT24C02能將數(shù)據(jù)保存且系統(tǒng)初始化之后讀取保存數(shù)據(jù)，電路如圖7所示。

　　圖7中SCL為串行時(shí)鐘輸入線，由程序產(chǎn)生時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時(shí)鐘輸入。SDA為串行數(shù)據(jù)或地址線，用于數(shù)據(jù)發(fā)送接收或地址傳送，為雙向傳輸。SCL、SDA為漏極開路，需上拉電阻，其典型值為10 k。WP為寫保護(hù)線，WP為高電平時(shí)，只能讀出不能寫入；WP為低電平時(shí)，允許讀和寫，本系統(tǒng)中數(shù)據(jù)要保存和讀取，因此WP接電源地GND。A0、A1、A2為器件地址輸入線，系統(tǒng)只使用一個(gè)AT24C02芯片，全部接地GND或電源VCC都可以，但必須與程序?qū)ぶ芬恢隆?/p>

　　2.4 無線通信電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)通過主機(jī)與從機(jī)通信，將1號(hào)從機(jī)和2號(hào)從機(jī)的數(shù)據(jù)信息收集匯總，再由CC1101無線串口模塊將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給上位機(jī)，電路如圖8所示。

　　主機(jī)起信息收集、處理、傳遞和交換等作用。IAP15-

　　F2K61S2單片機(jī)具有2個(gè)全雙工異步串行口（UART），一個(gè)串口與從機(jī)通信，另一串口通過CC1101模塊與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)雙串口通信功能。CC1101模塊只負(fù)責(zé)收發(fā)串口數(shù)據(jù)，且不限制一次往模塊串口發(fā)送的字節(jié)個(gè)數(shù)。其中RX為數(shù)據(jù)接收端口，與單片機(jī)或PC的TXD發(fā)送端口連接；TX為無線模塊的數(shù)據(jù)發(fā)送端口，與單片機(jī)或PC的RXD接收端口連接；而無線模塊的引腳CON懸空即可。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　自動(dòng)追光程序流程如圖9，系統(tǒng)上電或復(fù)位后，程序初始化，光影傳感器采集太陽光信號(hào)，判斷電池板是否背面朝向太陽光，防止追蹤出現(xiàn)死區(qū)。若電池板背向太陽，則驅(qū)動(dòng)縱軸使電池板旋轉(zhuǎn)180°；否則，繼續(xù)判斷是否已經(jīng)完成縱軸方向追蹤(即南北方向追蹤)。若已完成，則繼續(xù)執(zhí)行傳感器采集太陽光信號(hào)環(huán)節(jié)，否則驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行縱軸追蹤。完成后，傳感器采集太陽光信號(hào)，判斷是否已完成橫軸追蹤，若已實(shí)現(xiàn)橫軸追蹤（即東西方向的追蹤），則進(jìn)入下一環(huán)節(jié)執(zhí)行；否則驅(qū)動(dòng)橫軸步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行橫軸追蹤，直到完成橫軸追蹤過程。當(dāng)完成橫軸追蹤之后，進(jìn)一步判斷縱軸、橫軸是否都完成追蹤，若已完成，則停止追蹤，否則重新返回直到完成追蹤。

　　系統(tǒng)顯示界面如圖10所示，可實(shí)現(xiàn)對(duì)東西、南北偏轉(zhuǎn)角度、系統(tǒng)輸出電壓、電流等值的監(jiān)視。

4 結(jié)論

　　本文設(shè)計(jì)了一種基于IAP15F2K61S2單片機(jī)和“3+1”象限光影傳感器的自動(dòng)追光系統(tǒng)，使用者可任意選擇不同方向和角度安裝，采用絲桿設(shè)計(jì)的雙軸跟蹤方式使功率較小的步進(jìn)電機(jī)即能傳遞足夠的動(dòng)力，降低了自動(dòng)追光裝置的制造和能源成本。系統(tǒng)可與上位機(jī)進(jìn)行無線通信，上位機(jī)可以獲取太陽能發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息。本文設(shè)計(jì)的全自動(dòng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)可使平均功率提高30% 以上。通過改變本設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的太陽能電池板以及與之匹配的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等可以使該系統(tǒng)的功率、容量得到擴(kuò)展，以滿足不同用戶的需要。

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