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单片机光伏板自动跟踪系统研究-光伏技术

论文-工业论文

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摘要：现代社会对绿色能源的需求与日俱增，太阳能因其环保、

绿色、可再生，而且分布范围广，具有广阔的利用前景。由于固定方

式安装光伏板导致太阳能利用效率低，一直影响着太阳能技术的应用

效率。太阳能自动跟踪系统的设计为解决这一问题提供了新方法，从

而提高了太阳能的利用效率。设计中采用光电跟踪的方法，利用步进

电机驱动水平方向运动机构，由光电传感器感受太阳的位置并发送至

单片机中，单片机通过对跟踪机构进行水平方向控制，调整太阳能电

池板的角度实现对太阳的跟踪。

关键词：太阳能；跟踪；单片机；步进电机

1概述

随着常规能源资源的有限性和不可再生，使世界上许多国家重新

加强了对新能源和可再生能源技术发展的支持。煤炭巨量消费已成为

我国大气污染的主要来源。我国具有丰富的太阳能、风能、生物质能、

地热能和海洋能等新能源和可再生能源资源，开发利用前景广阔。目

前太阳能利用最普遍的形式是通过集热器将太阳能转换为热能，为了

收集到尽可能多的太阳能，多数研究方案采取跟踪方式，使太阳光收

集器的采光面始终对准太阳。本设计方案就是一个简单的一个单轴跟

踪系统。

2本系统的硬件设计方案

系统组成及工作原理以单片机为控制核心，采用光强度检测电路

测量，以光敏传感器作为测量元件，构成光电测量模块。该系统可分

为电源控制模块电路、光电测量电路、时钟电路、步进电机控制电路、

单片机、LED显示电路、A/D转换电路。选用的主要器件有：光敏电

阻，时钟芯片74LS74，AT89C52，LED数码管，步进电机与转换芯片

ADC0809等。采集电路的设计思路：首先通过驱动电机转动一个角度

后采集光敏电阻光强信号后进行显示并进行记录，利用光敏电阻在光

照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别放置于一

块板两侧，如果太阳光垂直照射太阳能电池板，两个光敏电阻接收到

的光照强度相同时，它们的输出信号相等，单片机发出信号停止驱动

电机转动；当太阳光方向与采光板垂直方向不平衡时，接收光强多的

光敏电阻阻值将减小，显示的光照强度就会强于另一个传感器输出的

信号，此时驱动电机向光强度较高的一侧运动，直至两个光敏电阻上

的光照强度信号相同，停止电机运行，实现自动调节的目的。当系统

处于光线较弱或夜晚时，系统检测光照强度信号低于光伏板最低工作

条件时，系统自行停止对光信号的采集和电机的驱动，达到节约能源

的目的。光强度采集传感器如图1所示。太阳跟踪装置控制系统的控

制目标是通过对装置机械执行机构角度的精确控制，实现对太阳运行

轨迹的跟踪。并且要求整个系统能够全天候的自动运行，结构简单可

靠。由于系统要实现对控制对象位置角度的精确控制，并且对控制对

象的移动速度要求不高，因此控制部件首先考虑采用步进电机，因为

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制元件。在非超

载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉

冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转

过一个步距角。

3本系统的硬件设计方案

本系统的软件程序部分使用了AT89C52的P0.0-P0.7和P1.0-P1.3

口来进行对数据的显示，显示所测得的当时的太阳光强度，即驱动电

机转动停止后，采集的光照强度转换后的数值。本系统的设计主要是

为了实现对太阳光的跟踪，首先要判断是不是外面的光照很强，如果

光照很弱的话，就需要外界一点很强的光源做模拟太阳光，准备好以

后开机控制步进电机开始转动一个设定好的角度后停止，采集这点的

光强，经过A/D转换以后显示出此时的光强，继续转动一个角度，一

直转到一圈为止，通过之前采集的数据做一个对比，选择出光强最大

的位置后控制步进电机反转回原来光照最强的位置停止。此次跟踪系

统的主程序流程图如图2所示。图

4设计结果和数据分析

经过对系统硬件和软件的调试，最后设计出了一块成品。接通电

源，A/D转换芯片进行初始化设定，控制电机转动一个角度后停止，

开始采集光强A/D转换后显示，电机再转动一个角度后停止，当电机

转动过一周以后时，根据采集的数据进行比较，找出光强最强的位置，

通过电机反转到这个位置。根据查阅资料，得出光照强度并没有一个

特定的标准来衡量。在实测中，第一次测量的数据如表1所示。电机

转动12个角度时采集到的12组电压，对比以后知道第一次测试的电

压第5组最