基于步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：為了高效地利用太陽能，根據(jù)太陽運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合光電傳感器設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。首先進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制的軟件實(shí)現(xiàn)，然后深入地分析比較步進(jìn)電機(jī)一般驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)太陽能自動(dòng)跟蹤精度的影響。研究結(jié)果表明，與采用一般驅(qū)動(dòng)方法的系統(tǒng)相比，采用步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高，有效地提高太陽能利用率。
關(guān)鍵詞：太陽能；自動(dòng)跟蹤；步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)；跟蹤精度

能源短缺問題是目前許多國家面臨的重要問題，太陽能作為一種清潔無污染的能源，有著巨大的開發(fā)前景。我國是一個(gè)太陽能資源較為豐富的國家，充分利用太陽能資源，有著深遠(yuǎn)的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽能的關(guān)鍵是提高太陽能電池板采集太陽能的效率，太陽能電池板接受太陽光的直射，由此得到太陽最大光照強(qiáng)度，從而最大限度的采集太陽能，目前太陽能電池板普遍采用半自動(dòng)單軸跟蹤方式和電池板固定朝南安裝的方式。這些方法存在的缺點(diǎn)是：轉(zhuǎn)換效率較低、跟蹤適應(yīng)能力弱、跟蹤精度低。本文根據(jù)太陽運(yùn)行規(guī)律，結(jié)合光電傳感器設(shè)計(jì)太陽能自動(dòng)跟跟系統(tǒng)。設(shè)計(jì)硬件和軟件控制流程，深入地分析比較步進(jìn)電機(jī)一般驅(qū)動(dòng)和細(xì)分驅(qū)動(dòng)對(duì)太陽能自動(dòng)跟蹤精度的影響。該系統(tǒng)跟蹤能雙軸跟蹤，精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，有望在光伏發(fā)電中使用。

1 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1．1 太陽運(yùn)行規(guī)律
為了提高太陽能電池板對(duì)光能的采集效率，需要盡可能的保持太陽光垂直照射到太陽能電池板上。從高度角方位角兩個(gè)物理量是可以描述太陽的這種位置變化的，太陽能電池板對(duì)高度角和方位角的跟蹤就能保證陽光垂直照射電池板，但是在一般情況下還需要光電傳感器反饋來對(duì)跟蹤的誤差進(jìn)行修正，以提高自動(dòng)跟蹤的精度。
太陽高度角α

式中：t是一天當(dāng)中的時(shí)刻。
由式(1)-(4)可計(jì)算出太陽高度角和方位角，以此進(jìn)行兩個(gè)角度的雙軸跟蹤，來實(shí)現(xiàn)太陽能自動(dòng)跟蹤。
1．2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)分為六個(gè)部分：時(shí)鐘模塊，初始位置校驗(yàn)，單片機(jī)模塊，驅(qū)動(dòng)模塊，光電檢測模塊和太陽能電池板。單片機(jī)是整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)運(yùn)算和控制。時(shí)鐘模塊主要把全年每天的時(shí)間提供給單片機(jī)。驅(qū)動(dòng)模塊包括光電隔離、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和步進(jìn)電機(jī)，為了消除干擾，單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)之間需要加隔離；由于是在高度角和方位角兩個(gè)方向上進(jìn)行雙軸跟蹤，因此需要兩個(gè)相同的驅(qū)動(dòng)模塊。傳感器模塊包括四象限探測器、信號(hào)處理電路和A／D轉(zhuǎn)換電路。太陽光線垂直照射四象限探測器時(shí)，它四個(gè)象限的輸出電流等；

當(dāng)發(fā)生偏移時(shí)，四個(gè)象限的電流不等，通過四象限探測器的這種特點(diǎn)檢測太陽光是否直射太陽能電池板。信號(hào)處理電路負(fù)責(zé)信號(hào)采集放大，把電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓量并放大后，通過A／D后送入單片機(jī)運(yùn)算分析并發(fā)出控制信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)。
1．3 硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的控制核心采用的單片機(jī)是AT89S51；時(shí)鐘芯片是DS1302；日出初始位置校驗(yàn)需要使用微動(dòng)開關(guān)，系統(tǒng)使用三洲集團(tuán)樂拉電器廠的LXW5-11G2。
光電檢測部分： (1)四象限探測器具有低暗電流，高可靠性、高均勻性、高對(duì)稱性，盲區(qū)小的優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用的四象限探測器為Pacific Silicon Sensor的QP20—6T08S。四象限探測器示意圖如圖2所示，器件是反向偏置的半導(dǎo)體二極管陣列，其工作原理是：當(dāng)太陽光垂直照射器件各個(gè)象限時(shí)，各個(gè)象限輸出的光電流ia、ib、ic、id相等；而當(dāng)目標(biāo)發(fā)生偏移時(shí)，各個(gè)象限的輸出光電流不等，光電流經(jīng)信號(hào)變換及放大后變?yōu)橄鄳?yīng)的電壓量，太陽運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)偏移量由式(5)算出，由此可測出太陽的方位，從而起到跟蹤的作用。四象限探測器能在東西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上進(jìn)行雙軸跟蹤。并且通過四個(gè)象限的電流和還可以進(jìn)行陰晴天的判斷，晴天時(shí)，太陽光線強(qiáng)，所產(chǎn)生的電流大，陰天時(shí)產(chǎn)生的電流小，因此確定一個(gè)閾值就能判斷天氣，經(jīng)實(shí)驗(yàn)后得這個(gè)閾值為1．12V。(2)測量四象限探測器其中一個(gè)象限所用的光電探測電路如圖3所示，每個(gè)象限都使用完全相同的光電探測電路。電阻把光電二極管輸出的光電流轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，運(yùn)放將這個(gè)壓信號(hào)作適當(dāng)?shù)姆糯?，四象限光電探測器所產(chǎn)生的阻抗電流，其值一般為mA級(jí)，經(jīng)試驗(yàn)后知需要放大的倍數(shù)為2倍。(3)轉(zhuǎn)換器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A／D轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部有一個(gè)8通道多路開關(guān)，它可以根據(jù)地址碼鎖存譯碼后的信號(hào)，只選通8路模擬輸入信號(hào)中的一個(gè)進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣泛的8位通用A／D芯片。