基于步進電機細分驅動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計

摘要：為了高效地利用太陽能，根據太陽運行規(guī)律，結合光電傳感器設計以單片機為核心的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)。首先進行硬件設計和系統(tǒng)控制的軟件實現，然后深入地分析比較步進電機一般驅動和細分驅動對太陽能自動跟蹤精度的影響。研究結果表明，與采用一般驅動方法的系統(tǒng)相比，采用步進電機細分驅動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)跟蹤精度高，有效地提高太陽能利用率。
關鍵詞：太陽能；自動跟蹤；步進電機細分驅動；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，有著深遠的能源戰(zhàn)略意義。利用太陽能的關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是：轉換效率較低、跟蹤適應能力弱、跟蹤精度低。本文根據太陽運行規(guī)律，結合光電傳感器設計太陽能自動跟跟系統(tǒng)。設計硬件和軟件控制流程，深入地分析比較步進電機一般驅動和細分驅動對太陽能自動跟蹤精度的影響。該系統(tǒng)跟蹤能雙軸跟蹤，精度高，適應性強，有望在光伏發(fā)電中使用。

1 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計
1．1 太陽運行規(guī)律
為了提高太陽能電池板對光能的采集效率，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跟蹤的誤差進行修正，以提高自動跟蹤的精度。
太陽高度角α

式中：t是一天當中的時刻。
由式(1)-(4)可計算出太陽高度角和方位角，以此進行兩個角度的雙軸跟蹤，來實現太陽能自動跟蹤。
1．2 系統(tǒng)總體設計
太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的總體結構框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)分為六個部分：時鐘模塊，初始位置校驗，單片機模塊，驅動模塊，光電檢測模塊和太陽能電池板。單片機是整個跟蹤系統(tǒng)的核心，負責運算和控制。時鐘模塊主要把全年每天的時間提供給單片機。驅動模塊包括光電隔離、步進電機驅動和步進電機，為了消除干擾，單片機和步進電機驅動之間需要加隔離；由于是在高度角和方位角兩個方向上進行雙軸跟蹤，因此需要兩個相同的驅動模塊。傳感器模塊包括四象限探測器、信號處理電路和A／D轉換電路。太陽光線垂直照射四象限探測器時，它四個象限的輸出電流等；

當發(fā)生偏移時，四個象限的電流不等，通過四象限探測器的這種特點檢測太陽光是否直射太陽能電池板。信號處理電路負責信號采集放大，把電流信號轉化為相應的電壓量并放大后，通過A／D后送入單片機運算分析并發(fā)出控制信號給步進電機。
1．3 硬件設計
系統(tǒng)的控制核心采用的單片機是AT89S51；時鐘芯片是DS1302；日出初始位置校驗需要使用微動開關，系統(tǒng)使用三洲集團樂拉電器廠的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、高對稱性，盲區(qū)小的優(yōu)點，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體二極管陣列，其工作原理是：當太陽光垂直照射器件各個象限時，各個象限輸出的光電流ia、ib、ic、id相等；而當目標發(fā)生偏移時，各個象限的輸出光電流不等，光電流經信號變換及放大后變?yōu)橄鄳碾妷毫?，太陽運動的兩個偏移量由式(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)上進行雙軸跟蹤。并且通過四個象限的電流和還可以進行陰晴天的判斷，晴天時，太陽光線強，所產生的電流大，陰天時產生的電流小，因此確定一個閾值就能判斷天氣，經實驗后得這個閾值為1．12V。(2)測量四象限探測器其中一個象限所用的光電探測電路如圖3所示，每個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換為電壓信號，運放將這個壓信號作適當的放大，四象限光電探測器所產生的阻抗電流，其值一般為mA級，經試驗后知需要放大的倍數為2倍。(3)轉換器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A／D轉換器，其內部有一個8通道多路開關，它可以根據地址碼鎖存譯碼后的信號，只選通8路模擬輸入信號中的一個進行A／D轉換，是目前國內應用最廣泛的8位通用A／D芯片。