基于步進(jìn)電機細分驅動(dòng)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統的設計

摘要：為了高效地利用太陽(yáng)能，根據太陽(yáng)運行規律，結合光電傳感器設計以單片機為核心的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統。首先進(jìn)行硬件設計和系統控制的軟件實(shí)現，然后深入地分析比較步進(jìn)電機一般驅動(dòng)和細分驅動(dòng)對太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤精度的影響。研究結果表明，與采用一般驅動(dòng)方法的系統相比，采用步進(jìn)電機細分驅動(dòng)的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統跟蹤精度高，有效地提高太陽(yáng)能利用率。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能；自動(dòng)跟蹤；步進(jìn)電機細分驅動(dòng)；跟蹤精度

能源短缺問(wèn)題是目前許多國家面臨的重要問(wèn)題，太陽(yáng)能作為一種清潔無(wú)污染的能源，有著(zhù)巨大的開(kāi)發(fā)前景。我國是一個(gè)太陽(yáng)能資源較為豐富的國家，充分利用太陽(yáng)能資源，有著(zhù)深遠的能源戰略意義。利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵是提高太陽(yáng)能電池板采集太陽(yáng)能的效率，太陽(yáng)能電池板接受太陽(yáng)光的直射，由此得到太陽(yáng)最大光照強度，從而最大限度的采集太陽(yáng)能，目前太陽(yáng)能電池板普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式和電池板固定朝南安裝的方式。這些方法存在的缺點(diǎn)是：轉換效率較低、跟蹤適應能力弱、跟蹤精度低。本文根據太陽(yáng)運行規律，結合光電傳感器設計太陽(yáng)能自動(dòng)跟跟系統。設計硬件和軟件控制流程，深入地分析比較步進(jìn)電機一般驅動(dòng)和細分驅動(dòng)對太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤精度的影響。該系統跟蹤能雙軸跟蹤，精度高，適應性強，有望在光伏發(fā)電中使用。

1 太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統的設計
1．1 太陽(yáng)運行規律
為了提高太陽(yáng)能電池板對光能的采集效率，需要盡可能的保持太陽(yáng)光垂直照射到太陽(yáng)能電池板上。從高度角方位角兩個(gè)物理量是可以描述太陽(yáng)的這種位置變化的，太陽(yáng)能電池板對高度角和方位角的跟蹤就能保證陽(yáng)光垂直照射電池板，但是在一般情況下還需要光電傳感器反饋來(lái)對跟蹤的誤差進(jìn)行修正，以提高自動(dòng)跟蹤的精度。
太陽(yáng)高度角α

式中：t是一天當中的時(shí)刻。
由式(1)-(4)可計算出太陽(yáng)高度角和方位角，以此進(jìn)行兩個(gè)角度的雙軸跟蹤，來(lái)實(shí)現太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤。
1．2 系統總體設計
太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統的總體結構框圖如圖1所示。整個(gè)系統分為六個(gè)部分：時(shí)鐘模塊，初始位置校驗，單片機模塊，驅動(dòng)模塊，光電檢測模塊和太陽(yáng)能電池板。單片機是整個(gè)跟蹤系統的核心，負責運算和控制。時(shí)鐘模塊主要把全年每天的時(shí)間提供給單片機。驅動(dòng)模塊包括光電隔離、步進(jìn)電機驅動(dòng)和步進(jìn)電機，為了消除干擾，單片機和步進(jìn)電機驅動(dòng)之間需要加隔離；由于是在高度角和方位角兩個(gè)方向上進(jìn)行雙軸跟蹤，因此需要兩個(gè)相同的驅動(dòng)模塊。傳感器模塊包括四象限探測器、信號處理電路和A／D轉換電路。太陽(yáng)光線(xiàn)垂直照射四象限探測器時(shí)，它四個(gè)象限的輸出電流等；

當發(fā)生偏移時(shí)，四個(gè)象限的電流不等，通過(guò)四象限探測器的這種特點(diǎn)檢測太陽(yáng)光是否直射太陽(yáng)能電池板。信號處理電路負責信號采集放大，把電流信號轉化為相應的電壓量并放大后，通過(guò)A／D后送入單片機運算分析并發(fā)出控制信號給步進(jìn)電機。
1．3 硬件設計
系統的控制核心采用的單片機是AT89S51；時(shí)鐘芯片是DS1302；日出初始位置校驗需要使用微動(dòng)開(kāi)關(guān)，系統使用三洲集團樂(lè )拉電器廠(chǎng)的LXW5-11G2。
光電檢測部分： (1)四象限探測器具有低暗電流，高可靠性、高均勻性、高對稱(chēng)性，盲區小的優(yōu)點(diǎn)，系統采用的四象限探測器為Pacific Silicon Sensor的QP20—6T08S。四象限探測器示意圖如圖2所示，器件是反向偏置的半導體二極管陣列，其工作原理是：當太陽(yáng)光垂直照射器件各個(gè)象限時(shí)，各個(gè)象限輸出的光電流ia、ib、ic、id相等；而當目標發(fā)生偏移時(shí)，各個(gè)象限的輸出光電流不等，光電流經(jīng)信號變換及放大后變?yōu)橄鄳碾妷毫?，太?yáng)運動(dòng)的兩個(gè)偏移量由式(5)算出，由此可測出太陽(yáng)的方位，從而起到跟蹤的作用。四象限探測器能在東西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上進(jìn)行雙軸跟蹤。并且通過(guò)四個(gè)象限的電流和還可以進(jìn)行陰晴天的判斷，晴天時(shí)，太陽(yáng)光線(xiàn)強，所產(chǎn)生的電流大，陰天時(shí)產(chǎn)生的電流小，因此確定一個(gè)閾值就能判斷天氣，經(jīng)實(shí)驗后得這個(gè)閾值為1．12V。(2)測量四象限探測器其中一個(gè)象限所用的光電探測電路如圖3所示，每個(gè)象限都使用完全相同的光電探測電路。電阻把光電二極管輸出的光電流轉換為電壓信號，運放將這個(gè)壓信號作適當的放大，四象限光電探測器所產(chǎn)生的阻抗電流，其值一般為mA級，經(jīng)試驗后知需要放大的倍數為2倍。(3)轉換器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A／D轉換器，其內部有一個(gè)8通道多路開(kāi)關(guān)，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個(gè)進(jìn)行A／D轉換，是目前國內應用最廣泛的8位通用A／D芯片。