0 引言

　　近年世界各國相關(guān)機構(gòu)努力開展對新能源的開發(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，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。研究表明，精確地自動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械式，光電式為被動跟蹤，其精度較低；而機械式為主動跟蹤，其原理是通過程序計算出太陽位置，控制步進電機來跟蹤太陽。目前國內(nèi)多數(shù)采用機械式跟蹤，但此法中因無檢測機構(gòu)，使得累計誤差逐漸增大，效果并不十分理想[5-6]。另外，太陽電池發(fā)電時其溫度隨外界氣象條件變化而變化，當(dāng)電池溫度升高，會引起光伏電池發(fā)電效率下降[7]，當(dāng)溫度從25℃升至60℃時，太陽能電池板的輸出功率下降25%[8]，因此有必要對太陽能電池板溫度進行監(jiān)控并采取散熱措施。

　　針對上述機械和效率問題，本文設(shè)計了一種基于IAP15F2K61S2單片機最小系統(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)，從而達到提高太陽能發(fā)電效率的目的。

1 自動追光系統(tǒng)的方案選擇和總體設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

　　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)機械結(jié)構(gòu)、步進電機、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，能與圖1中左右兩側(cè)的1號從機、2號從機進行通信；主機主要起信息收集、傳遞和交換作用，同時通過無線模塊與上位機進行無線串口通信。1號從機實現(xiàn)雙軸自動追光、實時位置記錄、事故掉電保存數(shù)據(jù)、手動和自動復(fù)位等功能。2號從機實現(xiàn)系統(tǒng)電壓、電流的采樣、監(jiān)控、與市電自動切換、電池板溫度采集和數(shù)碼顯示等功能。

　　1.2 系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　如圖2為設(shè)計的雙軸旋轉(zhuǎn)機械結(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機1轉(zhuǎn)軸的齒輪連接。絲桿和步進機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。

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

　　1.3 光影傳感器的設(shè)計與制作

　　1.3.1 光影跟蹤原理

　　本文設(shè)計一種“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，在感光板不同象限平面上形成長度和形狀不同的影子。太陽從由東向西運動(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，表明光線已垂直照在感光板1與3水平連接線上，此時垂直角度調(diào)整完成。接著，再次判斷太陽光線是否能夠同時垂直照射在感光板2和3上，進而調(diào)節(jié)電池板的角度。在這一系列調(diào)整過程中先進行垂直方向的追蹤，再進行水平追蹤，由此完成系統(tǒng)的跟蹤過程。但追光裝置的實際運用過程中，如果人為操作或其他外界擾動因素導(dǎo)致電池板背面朝向太陽光，使得光影傳感器1、2、3象限的光照強度幾乎一致，系統(tǒng)控制器無法對太陽能電池板的追光角度進行調(diào)整。為解決該問題，須在電池板的背面裝設(shè)一個光敏二極管（該背面定義為第4象限）。當(dāng)電池板背面朝向太陽光時，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)計算。式中，d為影子長度，H為物體高度，?琢表示太陽入射角。

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

　　在本設(shè)計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、短兩塊遮光板的距離均為4 mm，算得本設(shè)計制作的傳感器跟蹤精度J約為1.1°。同樣，可根據(jù)實際所需要的跟蹤精度要求由式(2)來計算出需要的遮光板參數(shù)，設(shè)計出需要的遮光板高度。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

　　2.1 能量監(jiān)控及切換電路設(shè)計

　　由于天氣、晝夜等因素，當(dāng)太陽能發(fā)電電量不足，負載必須切換接入其他電源或市電，以保持負載供電連續(xù)性。由此設(shè)計了能量監(jiān)控和不斷電自動切換電路，如圖5所示，系統(tǒng)實時對A端電壓進行采樣，當(dāng)采樣值低于設(shè)定值時，表明蓄電池電量不足，繼電器S2閉合，延時一定時間，繼電器S1斷開，此時負載由市電繼續(xù)供電，同時市電指示燈LED1亮，負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，延時一定時間， S2斷開，此時負載恢復(fù)到蓄電池供電，同時蓄電池指示燈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

　　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I/O口相連，經(jīng)過程序驅(qū)動處理即可測量電池板溫度的溫度值。當(dāng)溫度值大于設(shè)定值時，系統(tǒng)啟動循環(huán)水對電池板進行降溫。

　　2.3 數(shù)據(jù)保存模塊電路設(shè)計

　　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行軌跡，而是采用單片機程序算法實現(xiàn)。但在系統(tǒng)故障掉電或人為關(guān)機后再一次上電時，單片機將復(fù)位，程序初始化，原本記錄的數(shù)據(jù)將會被清除，導(dǎo)致此后記錄到的位置信息有可能和實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為串行時鐘輸入線，由程序產(chǎn)生時鐘驅(qū)動，用于數(shù)據(jù)發(fā)送或接收的時鐘輸入。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為寫保護線，WP為高電平時，只能讀出不能寫入；WP為低電平時，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

　　系統(tǒng)通過主機與從機通信，將1號從機和2號從機的數(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，電路如圖8所示。

　　主機起信息收集、處理、傳遞和交換等作用。IAP15-

　　F2K61S2單片機具有2個全雙工異步串行口（UART），一個串口與從機通信，另一串口通過CC1101模塊與上位機通信，實現(xiàn)雙串口通信功能。CC1101模塊只負責(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)個數(shù)。其中RX為數(shù)據(jù)接收端口，與單片機或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

　　自動追光程序流程如圖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，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環(huán)節(jié)，否則驅(qū)動步進電機執(zhí)行縱軸追蹤。完成后，傳感器采集太陽光信號，判斷是否已完成橫軸追蹤，若已實現(xiàn)橫軸追蹤（即東西方向的追蹤），則進入下一環(huán)節(jié)執(zhí)行；否則驅(qū)動橫軸步進電機執(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，可實現(xiàn)對東西、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)計了一種基于IAP15F2K61S2單片機和“3+1”象限光影傳感器的自動追光系統(tǒng)，使用者可任意選擇不同方向和角度安裝，采用絲桿設(shè)計的雙軸跟蹤方式使功率較小的步進電機即能傳遞足夠的動力，降低了自動追光裝置的制造和能源成本。系統(tǒng)可與上位機進行無線通信，上位機可以獲取太陽能發(fā)電系統(tǒng)的相關(guān)運行數(shù)據(jù)信息。本文設(shè)計的全自動太陽能發(fā)電系統(tǒng)可使平均功率提高30% 以上。通過改變本設(shè)計系統(tǒng)中的太陽能電池板以及與之匹配的步進電機驅(qū)動器等可以使該系統(tǒng)的功率、容量得到擴展，以滿足不同用戶的需要。

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