小型太阳能自动追踪系统研制

胡金艳，李 盛，张宇婷，谢欣欣

（西京学院，陕西 西安 710123）

小型太阳能自动追踪系统研制

胡金艳，李 盛，张宇婷，谢欣欣

（西京学院，陕西 西安 710123）

太阳能资源丰富，为了能高效地收集太阳能，文章设计了小型太阳能自动追踪系统，可以从4个方位检测阳光，并对其光心进行实时追踪，大大提高了能源利用率。该系统采用自动化控制，通过单片机控制步进电机转动来调整电池板角度实现对太阳能的全方位监控，从而有效提高太阳板的光电转化效率，实现太阳能利用最大化，解决了太阳能利用不充分的问题。

太阳能；单片机；步进电机

太阳能作为清洁能源，是目前开发潜能最大的能源[1]；为了提高太阳能的利用率，本文设计的太阳能自动跟踪系统，使用STC89C52单片机为整个控制系统的核心，将视日运动轨迹跟踪与光电跟踪两种方式相结合的方法，实现对太阳光心的实时追踪和全方位监控，从而提高设备的光电转化效率。

1 太阳能跟踪系统

现阶段所设计的太阳能追踪系统尚有缺陷，从而不能保证太阳光的垂直照射，因此也不能收集到充分的太阳光能，导致发电效率低下。目前，全球追踪太阳的方法大体分为两类，即开环的程控系统“视日运动轨迹追踪法”和闭环的随机系统“光电追踪法”。

太阳光线跟踪方式最常见的就是视日运行轨迹跟踪法。视日运动轨迹系统分为单轴和双轴两种方式。

（1）单轴跟踪方式的系统结构简单，易实现，但系统不能始终保持主光轴与太阳光线入射角度平行，因此单轴跟踪系统对太阳能的收集效率不高[2]。

（2）双轴跟踪有极轴式全跟踪和高度角－方位角式全跟踪两种方式。极轴式全跟踪方法简单，但其支承装置不易设计、不易实现，因此此种追踪方式并不理想。高度角－方位角式太阳跟踪系统较为简单，支承装置容易实现且跟踪精度高，图1所示为其跟踪原理。

图1 高度角－方位角式太阳跟踪原理

图2 步进电机驱动电路图

如图1所示，θ为太阳光入射角，ω为太阳时角，δ为太阳赤纬角，γ为集热器方位角，β为集热器倾角，φ为实验地区的纬度。太阳光入射角θ可以通过公式（1）得到：

通过公式（2）可以计算出第天的太阳赤纬角：

无论是哪种方式，在设计方面都需要在遮光板附近安装光电管，追踪太阳光需要调整遮光板的位置。遮光板的阴影部分会随着太阳光线的逐渐减弱而发生移动，光敏电阻受到光照时会输出微电流，此电流信号需经过放大电路放大，才能传送至单片机进行处理，从而调整角度使跟踪设备对准太阳光心。

2 跟踪系统硬件设计部分

使用STC89C52单片机为控制核心，运用光敏电阻采集光线，用运放LM741对采集的光线做进行处理并将最终数据传输给单片机，单片机进一步处理并将处理数据传输给电机驱动系统，控制两路电机进行调节电池板的水平方位及垂直高度的调整。本设计寻光系统采用单片机作为主控芯片，光敏和运放LM741组成光信号采集模块。系统结构框图3所示。

图3 系统结构框图

单片机控制系统通过光电检测电路对具体天气情况作出判断。系统根据太阳光照射强度判断是否为晴天，晴天时进行光电追踪法，阴天时使用角度追踪法。单片机根据这些信息的处理发出控制信号，传送至驱动电路，进而驱动步进电机的转动，从而带动太阳光接收装置转动，实现太阳光的实时追踪[3]。

步进电机不能直接由单片机驱动，必须连接驱动电路，其控制原理是电机驱动器接收驱动电路中的放大控制器发出的脉冲信号后，发出控制信号驱动电机按着一定的角度和速度旋转。电机的位移量取决于控制器发出的脉冲个数，电机旋转的速度和加速度取决于脉冲频率，因此只要控制脉冲，便可控制步进电机的相应操作。

本系统采用串行控制方式对步进电机进行控制。用一条发送时钟脉冲串的控制线和一条发送方向电平信息的控制线将步进电机驱动器与控制器连接起来，便可实现对电机的控制。如图4所示为步进电机电路原理图。

控制器发出脉冲和方向电平信息，驱动部分的环形分配器接收来自控制器的信息并对步进电机的1相励磁、2相励磁、1—2相励磁进行交替使用，功率放大器将环形分配器输出的电流放大，驱动步进电机运转。时钟脉冲控制线控制步进电机的转速，方向电平控制线控制步进电机的转向和转角，方向电平为高电平1时，步进电机按着环形分配器反向分配的脉冲信号反向转动；否则正向转动。

3 追踪系统软件设计

太阳能自动追踪系统软件设计部分有主程序模块、步进电机驱动模块。运行程序，系统判断跟踪机构是否处于起始位置（水平角的电机1旋转到正东方，高度角电机2旋转到太阳能电池板水平方位），若不在起始位置，跟踪机构自动返回起始位置；若在起始位置，系统判断当前天气是否是晴天，如果是晴天，系统进入视日运行轨迹跟踪法开始追踪阳光；如果是阴天，系统进入光电追踪方式，并进入延时阶段，间隔30分钟，系统再次对当前天气进行判断，若是晴天，则返回视日运行轨迹跟踪子程序，若是阴天，则返回光电检测跟踪子程序，如此，系统进入循环状态。系统完成一次跟踪后进入延时时间，30分钟后，延时结束，系统对当前天气再进行判断，系统流程图如图4所示。

图4 系统总体流程图

4 结语

本文设计的太阳能自动追踪系统，采用STC89C52单片机为控制核心，通过5个环形分布的光敏电阻构成的比较电路可以对具体天气情况进行判断，根据具体天气情况系统自动选择追踪阳光的方式，结合两种追踪方式，具有高效率、低误差的优点，加上软件设计，使得整个系统紧密配合，完善系统的监控程序，从而达到精确地对太阳的方位角和高度角进行实时快速准确跟踪的目的。

[1]郭洪雨.从低碳经济看太阳能开发利用前景[J].城市开发，2009（24）：48-49.

[2]郑小年，黄巧燕.太阳跟踪方法及应用[J].能源技术，2003（4）：149-151.

[3]杨丰涛.基于单片机的太阳光追踪系统研究[J].中北大学学报，2013（5）：12-14.

Development of small scale solar automatic tracking system

Hu Jinyan, Li Sheng, Zhang Yuting, Xie Xinxin
（Xijing University, Xi’an 710123, China）

For solar energy resources is abundant, in order to collect solar energy efficiently, the automatic tracking system of small solar is design to detect the sunlight and real-time track the core of sun from four directions, which greatly improves the utilization rate of energy.The system adopts automation control, through the use of micro controller to control the stepper motor rotation to adjust the angle of the battery board to achieve the full range of solar energy monitoring, which can effectively improve the photoelectric conversion efficiency of solar panels, implements the maximization utilization of solar energy and solves the problem of inadequate utilization of solar energy.

solar energy; single chip microcomputer; stepper motor

胡金艳（1992— ），女，陕西西安，硕士研究生；研究方向：信息控制与处理。