一種新思路的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

1.引言

伴隨日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，可再生資源的開發(fā)和利用成為人們研究的重點(diǎn)對象。太陽能以其普遍、長久、安全等優(yōu)點(diǎn)脫穎而出。目前太陽能已被不同程度地用在了多個領(lǐng)域，如電池領(lǐng)域，但普遍存在利用率不高的問題，很多場合下，電池板要么被安裝成固定角度，要么只能按照固定角度偏轉(zhuǎn)，沒有充分使太陽光垂直照射到電池板上，降低了太陽能的利用率。

為提高利用率，本文設(shè)計了一種基于Atmega16單片機(jī)的太陽能電池板光源跟蹤控制系統(tǒng)，能夠?qū)崟r跟蹤太陽并使太陽光充分垂直照射電池板，從而提高了太陽能的利用率。

2.系統(tǒng)設(shè)計原理

設(shè)計采用光強(qiáng)比較法來跟蹤太陽光源。整機(jī)裝置包括：太陽能電池板、電源管理電路、光電管、單片機(jī)、電機(jī)驅(qū)動電路、步進(jìn)電機(jī)以及機(jī)械轉(zhuǎn)動平臺。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)工作原理如圖2所示，在太陽能電池板邊沿的中間位置分別安裝一個光電管，根據(jù)太陽光照射到電池板對邊兩個光電管的角度(如圖α、β)不相等，使得光電管1、2感受的光照強(qiáng)度不同從而產(chǎn)生大小不同的光電流，將光流轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過比較采集后的電壓信號，控制步進(jìn)電機(jī)向電壓大的方向轉(zhuǎn)動。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1光強(qiáng)采集電路

系統(tǒng)使用靈敏度較高的3DU33光電管作為光強(qiáng)檢測器件，其光電流大于2mA,發(fā)射極只需串接很小的電阻便可得到可被采集的電壓，而且其響應(yīng)時間<1ms,反應(yīng)速度快。

需要注意的是，強(qiáng)光下，光電流較大，此時光電管發(fā)射極電阻不宜過大[2],否則各個光電管輸出電壓均趨于5V,系統(tǒng)不能檢測出對邊兩只光電管的輸出電壓差。該設(shè)計中，R1使用330Ω，在冬天中午陽光照射下，測得輸出電壓已達(dá)到3.6V.

3.2 步進(jìn)電機(jī)

設(shè)計使用5線四相減速步進(jìn)電機(jī)28BYJ-48,減速比為1:64,步矩角為5.625°/64=0.087 89°，遠(yuǎn)小于不帶減速比的步進(jìn)電機(jī)，這是提高跟蹤精度的很好選擇。

對于四相步進(jìn)電機(jī)，其工作方式可分為單4拍、雙4拍、8拍三種工作方式。單4拍與雙4拍的步距角相等，但單4拍的轉(zhuǎn)動力矩小。8拍工作方式的步距角是單4拍與雙4拍的一半，因此，8拍工作方式既可以保持較高的轉(zhuǎn)動力矩又可以提高控制精度。設(shè)計采用8拍工作方式，那么1拍轉(zhuǎn)過的角度為0.087 89°/2=0.043945°，進(jìn)一步提高了跟蹤精度。

3.3 電源管理電路

為了使系統(tǒng)能夠在室外正常運(yùn)行，設(shè)計采用太陽能電池板和鋰電池合理給系統(tǒng)供電。當(dāng)太陽能電池板輸出功率不夠時，由鋰電池給系統(tǒng)供電;當(dāng)鋰電池電壓低于3.5V的時候，太陽能電池板給鋰電池充電;否則由太陽能電池板給系統(tǒng)供電。

測試知，系統(tǒng)正常運(yùn)行時輸入功率接近2.5W(5V/480mA)?？紤]到天氣和季節(jié)因素，一般要求電池板的最大輸出功率要3W以上，故設(shè)計采用8片太陽能電池片(0.5V/1.2A)串聯(lián)，得到4V/1.2A(最大輸出4.8W)的輸出，經(jīng)DC-DC升壓電路給系統(tǒng)供電。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件流程圖如圖3所示，系統(tǒng)一上電先進(jìn)行粗調(diào)來確定太陽光源的大概位置。其思想是：將水平面平均分成12個區(qū)域，在每個區(qū)域中對光照強(qiáng)度采樣8次，并累加保存。進(jìn)入下一個區(qū)域，同樣采樣8次并累加，比較相鄰區(qū)域累加值的大小，并讓電機(jī)向累加值大的區(qū)域方向轉(zhuǎn)動，直到找到累加值最大的區(qū)域，這時說明太陽位置在這個區(qū)域范圍內(nèi)。

粗調(diào)完成后，對系統(tǒng)電源進(jìn)行管理，分別對太陽能電池板電壓和鋰電池電壓采樣，經(jīng)單片機(jī)分析，正確的對開關(guān)進(jìn)行操作以合理地為系統(tǒng)配備電能。

微調(diào)思想：先對X方向調(diào)整，完成后，再對Y方向調(diào)整。為得到較平滑的采樣數(shù)據(jù)，先使光電管采樣64次，再求和取平均，通過比較對邊光電管的平均值，決定步進(jìn)機(jī)的轉(zhuǎn)動方向。直到X方向和Y方向的兩個光電管采樣值都相等，則調(diào)整完成，此時光源處于電池板中心處。

5.運(yùn)行測試

測試條件：光源距離激光筆105cm,激光筆安裝在電池板的中心，Y方向上，激光筆在偏離光源±30°范圍內(nèi)。測試結(jié)果如表1所示。

6.結(jié)束語

測試結(jié)果表明，在偏離光源±45°范圍內(nèi)，系統(tǒng)均能在9s內(nèi)定位光源，并且偏差不大于4cm.實際應(yīng)用時，系統(tǒng)實時緊跟太陽，不會出現(xiàn)太陽突然偏轉(zhuǎn)電池板一個較大角度的情況，因此激光筆偏離光源距離是所關(guān)心的，而本設(shè)計測得的偏離距離不超過4cm,達(dá)到設(shè)計要求。