视日轨迹太阳能反馈跟踪系统的设计与实现.pdf

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1、第８期徐炜君等．视日轨迹太阳能反馈跟踪系统的设计与实现８５５视日轨迹太阳能反馈跟踪系统的设计与实现徐炜君原大明（东北石油大学秦皇岛分校，河北秦皇岛０６６００４）摘要为了提高太阳能发电效率，设计了一种以ＳＴＣ１５Ｗ４Ｋ３２Ｓ４单片机为核心，基于双轴跟踪机构的全天候视日轨迹太阳能反馈跟踪系统。给出系统的组成、原理、硬件模块和实现方法。实验结果表明：该系统具有较高的稳定性和可靠性，太阳能跟踪精度误差在０．２５～０．５０°以内，减少了系统累积误差，实现了反馈控制的目的。关键词太阳能跟踪系统单片机光强检测双轴跟踪反馈控制中图分类号ＴＨ８６２文献标识码Ａ文章编号１０００-３９３２（２

2、０１６）０８-０８５５-０４随着能源问题的日益突出，太阳能作为一种中利用光强检测装置实时检测电机动作所引起的［１］最清洁、最环保、可永续的能源，已受到了各国光强变化信息，单片机控制单元根据该信息对太的重视。而在众多提高太阳能利用效率的研究方阳能电池板的姿态进行微调，这种反馈控制可以［６］法中，太阳跟踪是一种有效的方法。实践表明，采有效消除系统的累计误差，提高系统的跟踪精用跟踪式方法，太阳能电池的发电效率可以提高度。［２］３０％以上。太阳跟踪的方法有多种，目前比较常用的方［３，４］法主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪。前者根据太阳运动规律，计算出太阳能电池板应转动的角度，从而

3、控制步进电机动作，这种跟踪方式的缺点是会产生累计误差且跟踪系统自身无法消除这些误差；后者受环境影响较大，尤其在多云或阴天时。在此，笔者采用以视日运动轨迹跟踪为［５］图１太阳能反馈跟踪系统结构框图主、光电跟踪为辅的跟踪方式，将光电跟踪的结果反馈给视日运动轨迹跟踪，从而进行实时跟踪２系统硬件部分微调，达到闭环反馈控制的目的，避免视日运动轨２．１单片机控制单元迹跟踪开环控制的诸多缺点，实现全天候自动、精单片机控制单元是整个系统的核心，本系统确的太阳跟踪。选用ＳＴＣ１５Ｗ４Ｋ３２Ｓ４单片机。ＳＴＣ１５Ｗ４Ｋ３２Ｓ４１系统的组成和原理［７］单片机是ＳＴＣ增强型８０５１单片机，它支持

4、宽太阳能反馈跟踪系统（图１）主要由单片机控电源电压（２．４～５．５Ｖ），具备在线编程与在线仿制单元、光强检测装置、步进电机驱动模块、双轴真功能，集成了大容量的程序存储器、数据存储器跟踪机构和太阳能电池板组成。单片机控制单元和ＥＥＰＲＯＭ，增加了定时器、串行口等基本功能部根据当前的地理位置和时间信息并结合太阳坐标件，集成了Ａ／Ｄ、ＰＣＡ、比较器、专用ＰＷＭ模块及模型计算出太阳的方位角γ和高度角α，然后通ＳＰＩ等多功能接口部件，可极大地简化单片机应过α、γ值计算电机的转动参数，驱动模块根据转用系统的外部电路，使单片机应用系统的设计更动参数对双轴跟踪机构的转动方向和转动角度进加

5、简洁，系统性能更加高效、可靠。行调整，保证太阳光线时刻都垂直照射在太阳能电池板上，提高系统的发电效率。系统设计过程收稿日期：２０１６-０６-２１（修改稿）８５６化工自动化及仪表第４３卷２．２光强检测装置机的带动下，双轴跟踪机构在水平、俯仰两个方向光强检测装置（图２）由４路ＧＹ-３０型数字光运动。这样太阳能电池板可以同时跟踪太阳的高强传感器模块组成。４路ＧＹ-３０光强传感器模块度角α和方位角γ，使太阳光线时刻垂直于太阳分别位于光强检测装置ＸＹ水平面的象限点上。能电池板，从而有效提高发电效率。水平面分为东、南、西、北４个方向，将平面遮光挡板分别沿一三、二四象限的角平分线设置，

6、同时用圆形遮光挡板将４路传感器包围在其内部，这样可以减少光线对相邻传感器的干扰。４路ＧＹ-３０光强传感器模块将采集到的光强信息分别送入单片机系统中进行处理。图３双轴跟踪机构结构示意图３系统的设计与实现３．１太阳坐标模型天文学上利用天球描述太阳在空中的位置，并用地平坐标系确定其具体坐标。地平坐标系以图２光强检测装置结构示意图地平圈为基准，用高度角α（０°＜α＜９０°）和方位角γ（－１８０°＜γ＜１８０°）确定太阳位置，其中高度ＧＹ-３０型数字光强传感器模块主要利用角α为太阳直射光线与地平面的夹角，方位角γＢＨ１７５０ＦＶＩ芯片来采集光强，ＢＨ１７５０ＦＶＩ是一个为太阳直射光

7、线在地平面上的投影线与正南方向１６位的两线式串行总线接口的数字型光强传感的夹角，向西（顺时针方向）为正，向东（逆时针方器集成电路，其光谱灵敏度接近视觉灵敏度，可以向）为负。本系统通过控制双轴跟踪机构的两个探测１ｌｘ～６５５３５ｌｘ范围内的光强强度变化且分辨旋转轴的角度来实现对方位角γ和高度角α的跟率较高。踪。２．３步进电机驱动模块太阳高度角α和方位角γ之间的函数关系单片机控制单元需要通过步进电机驱动模块［９］为：来实现对步进电机的控制。为了达到太阳跟踪平稳和高精度定位的要求，本系统选用ＭＡ８６０Ｈ细ｓｉｎα＝ｓｉｎφｓｉｎδ＋