太阳能跟踪器的模拟设计

杨梦蝶 湖北工程学院物理与电子信息工程学院 432000

【文章摘要】

为提高太阳能电池光电转换效率，设计了基于ATmega8 单片机的双轴步进电机太阳能跟踪器，使太阳能电池始终与阳光入射角保持垂直，以达到光能最大获取率。系统以单片机为控制核心，选用光敏电阻采集环境光强，由单片机对采集的数据进行处理，从而控制双轴步进电机旋转，实现对太阳的全方位实时跟踪。系统经过多次在室内外测试，均能达到设计要求。

【关键词】

太阳能跟踪器；双轴步进电机；光敏电阻

0 引言

太阳能作为一种清洁无污染的能源，具有取之不尽、用之不竭的特点，但目前对太阳能的利用还不够充分，这种现状的形成有多种原因，其中关键的一个因素是太阳光存在着光照的间歇性、空间分布不断变化的特点，固定位置的电池板不能最大限度地接受太阳光的能量。提高太阳能电池光电转换效率的研究有两种途径，一种是从太阳能电池的材质上入手；另一种是让太阳能电池跟着阳光旋转使电池与阳光入射角保持垂直，以达到光能最大获取率。本文从第二种的原因入手，设计了一种高精度太阳能跟踪控制器，该控制器由软件算法、传感器检测控制来综合实现。系统具有高精度、低成本、抗干扰等特点。

1 太阳能跟踪器的控制方案

为了做出性价比较高并且功能齐全的太阳能跟踪系统，需要对设计方案进行分析，选择出最佳的方案。下面是常见的几种方案：

方案一：基于日地运动轨迹公式的跟踪。基于日地运动轨迹公式的跟踪是指通过天文学公式计算出太阳的方位角和高度角，从而确定太阳位置。该跟踪方式是一种基于开环控制的跟踪方法。这种方案直观方便，操作性强，但也存在轨迹坐标计算没有具体公式可用的问题。

方案二：光电检测法跟踪。光电检测法采用光敏电阻、硅光电池等光敏元件作为传感器来检测追踪太阳的位置。该跟踪方式是一种基于闭环控制的跟踪方法。这种方案操作简单，且跟踪灵敏度较高，实时性好，但容易受天气情况的影响。综合考虑以上两个方案的特点，由于方案一需要大量的数据，设计起来较为困难，最终选择方案二，用光电跟踪来实现本系统的太阳跟踪功能。

2 硬件系统设计

2.1 单片机控制器

控制系统选用ATmega8 作为控制器。ATmega8 是高性能、低功耗的8 位AVR 微处理器，具有先进的RISC 结构。片内带8K 可编程Flash、1K 的SRAM和512B 的EEPROM，以及两个8 位定时器/ 计数器，一个16 定时器/ 计数器，8路10 位ADC。通过对系统需求进行分析，ATmega8 能够满足系统需求。

2.2 传感器模块设计

测量环境光强是本系统的关键，系统选用光敏电阻作为光强采集传感器，光敏电阻不但价格低，而且具高可靠度且感光性能良好。

光强采集传感器主要由四个特性相近的光敏电阻构成，负责检测四个方向的光强，在各方向均有一个光敏电阻，以45 度角朝向光源处。四个光敏电阻分为两组，一组是两个光敏电阻做为东西向的传感器，用以比较东西方向受光强度的差异，使用ATmega8 自带的ADC 模块读取传感器输出电压值，判断受光较强的方向，并且驱动电机朝该方向前进，直到东西方向传感器输出电压值近似相等。另一组的南北向光敏电阻，用来追踪太阳在南北方向的位置。光敏电阻阵列如图1 所示。图1

2.3 步进电机及其驱动器

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。系统选用42BYG 系列两相四线混合式步进电动机，步距角为1.8 度。为满足高精度要求，选用DQ542 系列高性能步进电动机细分驱动器作为驱动电路，进一步提高了系统的精度，同时使得系统具有可靠性好、噪声低等特点。

3 软件设计

3.1 主程序设计及流程图

软件是控制系统的核心，本系统采用C 语言模块化编程。系统上电进行初始化工作，控制采光板指向太阳十二点钟的方向。然后，单片机采集传感器输出的信号，将信号转换成对应的环境光强，若四路环境光强都小于设定值时，关闭驱动器电源，控制系统进入休眠状态，三分钟后再次进入工作状态，否则比较1 路和4 路的光强大小，控制采光板的方位角变化，接着比较2 路和3 路的光强大小，控制采光板的高度角变化。系统不断的采集信号、处理信号以及发出对应的控制信号，确保采光板能够实时跟踪太阳方向的变化。系统软件流程图如图2 所示。

图2

3.2 软件抗干扰设计

软件抗干扰技术是当系统受到干扰后使系统恢复正常运行或输入信号受干扰后去伪存真的一种辅助方法。本系统软件设计中，采用选择排序、去最大最小值再取平均值数字滤波技术，用于对传感器采集的数据进行A/D 转换。因为A/D 采集过程中可能会有数据跳变，而此滤波方法能有效克服因偶然因数引起的波动干扰。具体实现方法是在传感器数据采集时，对每个传感器连续采样50 次，再对这50 个数据排序、去最大最小值再取平均值。

4 结语

低成本的跟踪技术是提高太阳能发电效率、推进太阳能普及应用的关键问题，双轴太阳能跟踪器以低成本为出发点，进一步提升了太阳能跟踪器的稳定性、可靠性与实用性。在室内进行模拟测试和室外进行实际测试，对测试结果进行分析，系统均能达到各项预期指标，实现对太阳的全方位实时跟踪。并且系统运行稳定可靠，有着广阔的应用前景。

【参考文献】

[1] 郑春桥, 石玉峰. 双轴伺服太阳能跟踪器控制系统设计[J]. 电工电气,2013(9):24-28

[2] 陈旭平, 熊德敏, 胡联红. 步进电动机在太阳能跟踪器上的应用[J]. 今日科技,2008

[3] 宋孝炳, 朱华炳, 张希杰,等. 高进度太阳能双轴跟踪器的设计研究[J]. 机械制造与自动化,2013(2):149-151__