基于单片机控制的简易逐日式太阳能发电系统

摘 要：随着社会可持续发展的要求，以太阳能为主体的可再生资源越来越受到人们的重视。光伏电池也逐渐成为生产生活中的重要角色。但光伏电池的实际转化率低、成本高等成为制约太阳能利用的瓶颈。本文针对光伏电池发展的制约，设计了一种基于AT89C51单片机控制的，自动跟踪太阳光照射角度的双轴自动跟踪系统，以提高太阳能电池的光-电转化率，使太阳能电池板始终与太阳入射光线垂直，比固定的太阳能发电设备的发电量提高约35%。本文所设计的系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等优点。本系统仅通过用简单的计算公式得到的数据，进行每小时1次的角度改变，再通过单片机的判断进行回归控制。

关键词：光伏电池；最大功率跟踪；单片机

中图分类号：TK513.4 文献标识码：A

1 地球围绕太阳的运行规律

众所周知，地球每自转1周为1昼夜，1昼夜又分为24h，所以地球自转15°/h。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道（黄道）上运行，称为“公转”，其周期为1a。地球的自转轴与公转运行的轨道面（黄道面）法线倾斜成23°27?的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向地球的北极。因此，地球处于公转运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化[1]。

2 太阳高度角和方位角的确定

2.1 太阳角的计算

2.1.1 太阳高度角

2.1.2 太阳方位角

2.1.3 日照时间

2.2 机械结构的工作过程

太阳自动跟踪系统的机械结构如图1所示，其主要功能是支撑固定太阳能电池板，实现对太阳能电池板高度角和方位角的调节控制。

太阳能电池板高度角的调节是由步进电机1带动丝杆转动，改变与螺母之间的有效丝杆长度完成的。太阳能电池板的方位角是通过电机2转动实现的。本系统中，选择高度角为90°时，即太阳能电池板水平放置时，作为系统高度角的复位基准。选取太阳能电池板朝向正东方向，即方位角为﹣90°，作为系统方位角的复位基准[4]。

已知某地区的纬度为37.44°，可根据太阳照射规律求出该地区一年太阳高度角的范围为29°～76°，从而求出有效丝杆长度，再换算成步进电机1转轴转动的圈数，从而控制太阳能电池板的高度角。而根据太阳照射规律，可知太阳方位角每小时改变15°，控制电机2转动即可控制太阳能电池板的方位角。

2.3 步进电机的工作过程

3 硬件电路设计

自动跟踪系统需要单片机通过对时间进行判断、比较和提取，再按照不同的时间控制步进电机使太阳能电池板进行相应的角度改变，其中对时间的控制选用1个计时芯片进行自动计算，同时选用一款步进电机驱动芯片来把单片机与步进电机联系起来。

4 硬件电路的选择

在精确、实用、高性价比等要求下，本系统采用STC89C51单片机，时钟芯片采用PCF8563计时芯片，大多数步进电机运动控制系统都运行在开环状态下，故本设计中采用了开环控制系统。设计选用单极性功率驱动电路，将单片机产生的脉冲信号通过达林顿管ULN2003放大，然后驱动步进电机[7]。

5 程序流程图

太阳自动跟踪装置的程序结构分为主程序、INTO中断服务子程序两部分，程序流程图如图3和图4所示。INT0中断服务子程序的中断源为PCF8563定时器。

6 结语

本文设计了基于单片机的太阳能电池板自动逐日系统，该系统能够较准确的实现对太阳的双向跟踪。

今后太阳能的利用范围必然会越来越广，而利用太阳能发电也必然是太阳能利用的主要方面，而这种小型太阳能自动跟踪发电系统由于其结构简单、价格低廉、稳定性高等的特点，也必然会有很大的发展潜力[8]。

参考文献

[1] 王炳忠.太阳能中天文参数的计算[J].太阳能，1999（2）.

[2] 杨金焕，陈中华，汪征宏.光伏方阵最佳倾角的计算[J].新能源，2000（2 ）.

[3] 王炳忠.太阳能辐射资源[M].太阳能应用人民教育出版.1998.

[4] 孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳自动跟踪器的研究[M].机械设计与制造，2005：157-159.

[5] 刘宝延.步进电机及其驱动控制系统[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，1997.

[6] 王玮，陈毕双，杨捷顺.基于TA8435H驱动的步进电机的单片机控制阴[J].机电工程技术，2009，38（7）：34-35.

[7] 张强，吴红星，谢宗武.基于单片机的电机控制技术[M].中国电力出版社，2008：213-238.

[8] 钱伯章.太阳能光伏发电成本及展望[J].中国环保产业，2009（4）：24-28.

作者简介：牛崇宇（1990-），男，汉族，山西清徐人，就读于山西农业大学工学院。研究方向：电气工程及其自动化。