基于单片机的双轴太阳光追踪器设计

摘 要：太阳能作为一种洁净的能源，是一种可再生能源，有着化石能源无法比拟的优越性，但太阳能利用效率低，这一问题一直影响和阻碍人们对太阳能的利用，太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新途径，从而大大提高了人们对太阳能的利用率。本设计采用光电跟踪的方法，利用步进电机驱动，设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。通过对跟踪机构进行水平、垂直两个自由度的控制，调整太阳能电池板的角度实现对太阳的跟踪。采用单片机来实现的太阳能追踪系统能有效提高太阳板的光电转化效率，并具有较广泛的应用前景。

关键词：太阳能；跟踪；光敏二极管；单片机；步进电机

太阳能作为一种清洁的可再生的新型能源，受到了人们的广泛重视，目前利用太阳发电的方式主要有光伏发电、光热发电等，它们均为固定安装，无法根据太阳光的不断变化，来调整迎光面，做不到太阳光的实时垂直照射，这样就会使太阳能资源得不到充分利用，所以有必要研究如何最大程度地提高太阳能的利用率。

要提高太阳能的利用率，应从两个方面入手，一是提高太阳能的接收效率，二是提高太阳能装置的能量转换率。其中，太阳能的接收效率与太阳光的照射角度有关，已经有人研究了太阳光角度与太阳能的接收效率的关系，理论分析表明：太阳的非跟踪与跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使太阳能接收装置的热效率大为提高，进而可以提高太阳能的利用率。

现阶段市场上使用的跟踪系统有单轴太阳能自动跟踪器、步进式太阳能自动跟踪、可自动跟踪的太阳灶、五像限法太阳自动跟踪仪、单轴液压式自动跟踪、极轴式跟踪。它们存在结构复杂、跟踪精度不高、不能全自动跟踪等不足。

1 设计方案

本设计可使太阳光永远垂直照射在接收面上，提高了太阳能的吸收率和转化率，设计结构简单，成本低廉，单片机控制稳定，能自动跟踪阳光，最大面积地吸收太阳光能，合理利用了资源。追日性能良好的太阳能电池板双轴自动追踪系统，使太阳能电池板在南北、东西两个方向追踪太阳，提高太阳能利用率。

本设计主要包过光电转换电路、AD转换电路、单片机控制电路、电机驱动电路的设计，首先主要介绍各个模块的硬件电路，以及机械设计部分原理简介。

硬件设计流程图如图1所示。

（1）光伏传感器检测光照强度以及太阳光入射角度；

（2）A/D转换器完成太阳光检测信号的采集，并输出及放大信号的模拟输入量；

（3）单片机STC89C51接收到信号后，做出指令；

（4）步进电机自动调节接方位至最佳状态；

（5）步进电机在水平和垂直方向运行调节，太阳能电池板主要将太阳能转换为电能并输送给用电器或电池。

1.1 基本系统

单片机的基本系统包括电源、晶振电路和复位电路。

电源是给单片机提供电源5V。

晶振电路由晶振和2个电容所组成，晶振的振荡频率直接影响单片机的处理速度，所以采用11.0592M晶振。

1.2 光敏二极管比较电路

本设计对于当前太阳能电池板监测控制系统，研究其优劣点并且加以进行分析。在此基础上设计能自动旋转追踪的太阳能电池板。结合三种太阳能采集方法，实现手自一体化的多模式太阳能采集。在自动运行中该系统具有较高的实时性，运用四象限光敏二极管对太阳能强度进行检测，使用比较电路（见图2）进行分析，从而实现实时性的太阳能强度分析。

经过四象限光敏二极管的采集分析后，在单片机中进行比较，根据得出的结果对太阳能电池板的伺服电机进行控制，以实现太阳能电池板X、Y轴方向上的调整。

1.3 按键电路

按键电路主要功能：1起停按键，2、3 X轴控制，4、5 Y轴控制。按键电路因按键数量不多，所以采用独立式按键。

1.4 步进电机驱动电路

本课题用两个步进电机来分别控制太阳能电池板的X、Y轴运动，用ULN2803驱动芯片来控制电机的正反转。

1.5 光电检测原理

硬件设计中光电检测是本装置的主要部分，也是太阳能电池板寻光的主要控制元件，设计中为了使太阳能电池板始终对着太阳则需要四个光敏对阳光强弱进行检测，如图3所示，光敏均采用垂直于太阳能电池板板面安装。

其中光电检测A对左远离光线进行检测，当光线远离电池板时A检测会给单片机信号，单片机驱动继电器控制电机M1正转使电池板跟随光线左转。光电检测B对右远离光线进行检测，当光线远离电池板时B检测到并实时传输给单片机信号，单片机驱动继电器控制电机M1反转使电池板跟随光线右转。光电检测C与D对太阳垂直角度的变化进行检测，并将检测到的光线变化信号传输给单片机，单片机进行进一步处理后控制继电器驱动电机M2的正反转，从而实现电池板垂直角度的调整。

考虑到太阳四季垂直角度变化的速率很小，可以在电池板垂直角度的调整电机M2加个减速箱，使其变化速率也非常小，不至于因变化太快使得光电检测误检，否则会导致电池板在垂直方向不停的摆动。

2 节能效果分析

在现代社会，人们利用太阳能很多时候都要考虑它的节能性、经济性，具有良好节能效果、价格低廉的产品才能更好地推广与应用。本项装置结构原理简单、成本低廉，具有很好的经济性，以下主要评估系统的节能效果。中小规模使用的太阳能追踪器器，规格大于实验室所用的装置，以太阳能板长L=5.9m，宽d=1.2m为例，评估这样实际应用的系统一年可以节约的标准煤耗。

跟踪装置应用于新疆地区，日工作时间为8h，发电效率受外界条件干扰较大，年平均追踪效率取35%，利用跟踪装置一年利用的太阳能热量为：201367/IWm

本项装置可在较好的精度下工作，通过实验数据采集与分析，验证该系统具有较好的集热效率。通过节能性分析说明，实际应用中的本套装置节能效果明显，每年可节约相当可观的标准煤，对于构建节能低碳型社会具有重大意义。

在当前的条件下发电效率高的太阳能电池必将在市面上有很大影响。太阳能自动追踪系统，能及时地跟踪太阳，尽可能地提高太阳能的利用率，在实时性、低功耗方面亦均有所提高，所以我们所设计的太阳能自动跟踪系统有较好的市场前景和经济效益。

参考文献

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[3]马长芳.新型集成电路及其应用实例[M].科学出版社，2002.

[4]吴金戌.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5]李光才，楼然笛.单片机课程设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.

作者简介：陆建章（1991-），男，新疆喀什人，本科，塔里木大学机械电气化工程学院，农业电气化与自动化专业，电气化16-2班学生。