0 引言

　　近年世界各國相關機構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備的能量利用率大大提高[3]，自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%，成本下降25%[4]。但目前太陽能發(fā)電的實際應用中依然存在一些技術問題，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，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，當電池溫度升高，會引起光伏電池發(fā)電效率下降[7]，當溫度從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計

　　1.1 系統(tǒng)整體設計方案

　　系統(tǒng)由以IAP15F2K61S2[9]為核心的控制芯片、太陽能電池板、雙軸旋轉機械結構、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成，結構如圖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)機械結構設計

　　如圖2為設計的雙軸旋轉機械結構，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，較小的轉矩就能達到傳動的要求和目的。該設計能耗低，使電機選型小型化、小功率化，系統(tǒng)制造成本低。

　　1.3 光影傳感器的設計與制作

　　1.3.1 光影跟蹤原理

　　本文設計一種“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一個光敏二極管（該背面定義為第4象限）。當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、導致產(chǎn)生影子的物體高度有關，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)進行光影傳感器設計：當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的值設為固定值，則當太陽入射角越大，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)，設計出需要的遮光板高度。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

　　2.1 能量監(jiān)控及切換電路設計

　　由于天氣、晝夜等因素，當太陽能發(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，當采樣值低于設定值時，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)。當系統(tǒng)電量恢復之后，S1閉合，延時一定時間， S2斷開，此時負載恢復到蓄電池供電，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)過程序驅動處理即可測量電池板溫度的溫度值。當溫度值大于設定值時，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)故障掉電或人為關機后再一次上電時，單片機將復位，程序初始化，原本記錄的數(shù)據(jù)將會被清除，導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，但必須與程序尋址一致。

　　2.4 無線通信電路設計

　　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)軟件設計

　　自動追光程序流程如圖9，系統(tǒng)上電或復位后，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，則驅動縱軸使電池板旋轉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、南北偏轉角度、系統(tǒng)輸出電壓、電流等值的監(jiān)視。

4 結論

　　本文設計了一種基于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)的相關運行數(shù)據(jù)信息。本文設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。通過改變本設計系統(tǒng)中的太陽能電池板以及與之匹配的步進電機驅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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