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太陽光入射方向的檢測(cè)與太陽能電池板方位控制系統(tǒng)

陳多飛1,鐘加杰2,陳榮3

(1． 甘肅立信信息技術(shù)有限公司，甘肅蘭州730050;
2． 中山市貝爾馬衛(wèi)浴集團(tuán)有限公司，廣東中山528427;
3． 鹽城工學(xué)院信息工程學(xué)院，江蘇鹽城224051)

摘要：太陽能電池板方位控制系統(tǒng)由光敏檢測(cè)電路、單片機(jī)和步進(jìn)電機(jī)等部件組成，其中光敏檢測(cè)電路采集入射光方向信息，并將其轉(zhuǎn)化成電信號(hào)。當(dāng)入射光線與檢測(cè)標(biāo)桿形成角度差時(shí)，標(biāo)桿陰影遮擋光敏電阻受光面，系統(tǒng)通過檢測(cè)被遮擋的位置，確定太陽能電池板的偏移方向。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)過調(diào)理電路、單片機(jī)處理后，輸出控制信號(hào)控制步進(jìn)電機(jī)在水平、仰角方向轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽能電池板正對(duì)太陽光，以獲取最大光能。

關(guān)鍵詞：太陽光入射方向檢測(cè)；電池板方位控制；光敏電阻；單片機(jī)；步進(jìn)電機(jī)

地球表面的太陽能能量非常巨大，但由于太陽能的分散性，能量密度較低，且易受到晝夜和天氣的影響。提高太陽能收集率的辦法有聚焦法和自動(dòng)跟蹤法。聚焦法主要是利用類似于放大鏡聚焦的光學(xué)原理把數(shù)倍的太陽光聚焦到一小塊面積上，使太陽能電池板可在單位時(shí)間內(nèi)接收到更多太陽能；自動(dòng)跟蹤法是在任意情況下，保證太陽能電池板正對(duì)太陽光入射方向，以最大程度地采集更多太陽能。理論研究表明，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)比同等條件下非自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)對(duì)太陽光能接收效率高37%左右[1-7]，因此，研究太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)具有現(xiàn)實(shí)意義。

本文研究自動(dòng)跟蹤法保證太陽能電池板準(zhǔn)確跟蹤太陽光入射方向，實(shí)現(xiàn)太陽能高效采集。

1光線入射方向檢測(cè)原理

本文設(shè)計(jì)了一個(gè)能比較精確地追蹤太陽光入射角度的追日系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)采用8個(gè)光敏電阻，用于對(duì)太陽光入射角度的檢測(cè)。檢測(cè)標(biāo)桿垂直于光敏電阻所在的平面(與太陽能電池板平行)，當(dāng)光線不垂直照射光敏電阻所安置的表面時(shí)，光線與標(biāo)桿之間形成角度，光敏電阻手光面會(huì)被標(biāo)桿的陰影所遮擋。每一個(gè)光敏電阻都是一個(gè)位置的標(biāo)志，入射光線的角度不同，不同位置光敏電阻的表面會(huì)被標(biāo)桿陰影所遮擋。根據(jù)被遮擋位置，可以檢測(cè)出太陽光入射的方向，進(jìn)而調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)水平及仰角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽能電池板與太陽光線垂直，讓電池板接收到最大光能。

圖1　光線檢測(cè)示意圖Fig.1　Detection sketch map of sunlight incidence direction

2檢測(cè)與控制電路

檢測(cè)與控制系統(tǒng)主要由2部分組成，一是信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路，負(fù)責(zé)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理；二是動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，把單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)施電池板的方位調(diào)整。

2.1　光信號(hào)檢測(cè)與調(diào)理電路

光敏電阻被陰影遮擋，光敏電阻值會(huì)增加，反之，光敏電阻被光線照射時(shí)，光敏電阻值會(huì)減小，因此隨著入射光角度的變化檢測(cè)分壓電路輸出電壓隨之變化，通過電壓比較器，輸出高、低電平，比較電路如圖2所示。光敏電阻阻值增加，光敏電阻與普通電阻分壓，輸出電壓會(huì)隨光敏阻值增大而減小，當(dāng)分壓電壓值小于設(shè)定電壓時(shí)，比較器輸出高電平；反之，光敏電阻接收到光線照射，阻值減小，分壓檢測(cè)值上升，檢測(cè)電路輸出低電平[8-9]。

系統(tǒng)中設(shè)置了8個(gè)光敏電阻，組成8路比較電路，輸出8路比較結(jié)果，這8個(gè)狀態(tài)值分別送到單片機(jī)8個(gè)引腳。當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到相關(guān)引腳有高電平輸入時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向會(huì)依據(jù)被置高電平引腳的位置而定。經(jīng)過測(cè)試，根據(jù)正常光照情況下光敏電阻在有遮擋與無遮擋情況下的阻值，設(shè)定定值電阻阻值，構(gòu)成檢測(cè)與處理電路如圖2所示。

圖2　檢測(cè)與滯環(huán)處理電路Fig.2　The detecting and hysteresis-band handling circuit

圖2中，光敏電阻Rp和定值電阻R0檢測(cè)環(huán)境光照，后接比較電路實(shí)施檢測(cè)信號(hào)的處理?？紤]環(huán)境因素干擾，為防止比較器誤翻轉(zhuǎn)，需要在信號(hào)處理過程中，對(duì)輸出信號(hào)的高低電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)置滯環(huán)，如圖中R1、R2所示。

設(shè)計(jì)中，選用能采用單、雙電源供電方式的LM339比較器，其差動(dòng)輸入電壓范圍較大，可達(dá)到電源電壓，很好地滿足設(shè)計(jì)要求。圖2中，電阻R3為上拉電阻，R1和R2參數(shù)設(shè)計(jì)分析如下：

(1)

(2)

式中，VT+、VT-分別為滯環(huán)處理電路輸入門限電壓，VRef為給定電壓，VOH、VOL分別為輸出高電平、低電平的電壓。

當(dāng)電源電壓設(shè)置為5 V時(shí)，輸入門限電壓VT+和VT-分別為1.8 V和1.4 V，給定電壓VRef為1.6 V，輸出電壓VOH和VOL分別為4.5 V和0 V。根據(jù)所給設(shè)計(jì)條件，可以計(jì)算出R1、R2的電阻值，再綜合實(shí)際應(yīng)用中的要求，電路設(shè)計(jì)中R1取值為10 kΩ，R2取值1 kΩ。

根據(jù)分析，當(dāng)輸入電壓小于1.4 V時(shí)，滯環(huán)比較器會(huì)輸出高電平；當(dāng)輸入電壓大于1.8 V時(shí)，輸出電平會(huì)置低。雖然帶滯環(huán)電路的加入會(huì)使檢測(cè)電路的靈敏度降低，但系統(tǒng)抗干擾能力可得到大大提升。

系統(tǒng)調(diào)試首先是針對(duì)滯環(huán)處理電路。理論上，把滯環(huán)電路中各參數(shù)設(shè)置好，輸出結(jié)果就可以達(dá)到理想效果，但由于光敏電阻的非線性，其各個(gè)元件阻值變化都不一致，要對(duì)電路進(jìn)行調(diào)試，依據(jù)8個(gè)光敏電阻的感光特性分別進(jìn)行。滯環(huán)電路中的定值電阻阻值已經(jīng)固定，在測(cè)試出光敏電阻因光線變化阻值發(fā)生變化的條件下，調(diào)節(jié)設(shè)定電壓值，使輸出達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

在相同光照的情況下，某光敏阻值變化是350 Ω～180 Ω，這時(shí)，比較電路輸出電壓值是1.11 V～1.78 V，最高電壓值未能達(dá)到1.8 V。引腳信號(hào)一旦被置高，將不能被拉低。為解決這個(gè)問題，通過調(diào)節(jié)給定電壓，將給定電壓由1.6 V調(diào)至1.45 V，滯環(huán)比較器的門限電壓VT+=1.72 V，可以滿足測(cè)試要求。

2.2　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

檢測(cè)、處理所得的信息需要電機(jī)運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的方位調(diào)整，設(shè)計(jì)中選用的電機(jī)為四相八拍步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電壓為12 V。驅(qū)動(dòng)電路采用專門的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，其電源電壓為12 V，四輸入和四輸出端，可輸出四相八拍脈沖信號(hào)，滿足步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求。L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3　L298N驅(qū)動(dòng)電路Fig.3　The driving circuit

圖3中，L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路輸出端外接8個(gè)二極管，其目的是防止電機(jī)電流倒流到芯片中，使芯片損壞。輸入端接單片機(jī)的I/O口，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過I/O口送至L298N輸入端，信號(hào)在芯片內(nèi)經(jīng)過功率放大，輸出端輸出，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

3系統(tǒng)的運(yùn)行控制與軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)中需要控制的步進(jìn)電機(jī)有2個(gè)，分別位于水平方向和仰角方向上。單片機(jī)根據(jù)光敏電阻被遮擋情況，發(fā)出控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。光敏電阻分布如圖4所示，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由這8個(gè)光敏電阻的位置確定，例如：光敏電阻2被遮擋時(shí)，先是水平位置電機(jī)反轉(zhuǎn)，這時(shí)陰影遮擋位置由2移到1，再由仰角位置電機(jī)作反轉(zhuǎn)，最終將太陽能板調(diào)節(jié)到與光線方向垂直。各點(diǎn)光敏電阻被遮擋時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)系如表1所示。

經(jīng)分析、設(shè)計(jì)，系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖4　光敏電阻分布圖Fig.4　The distributing mode of photosensitive resistance

被遮擋位置轉(zhuǎn)動(dòng)方向12345678水平正轉(zhuǎn) 11 1水平反轉(zhuǎn) 1 11豎直正轉(zhuǎn) 11111豎直反轉(zhuǎn)11 1

圖5　控制軟件流程圖Fig.5　The flow chart of control software

系統(tǒng)軟件調(diào)試。電機(jī)控制程序主要分4個(gè)部分，分別是：水平正轉(zhuǎn)、水平反轉(zhuǎn)、豎直正轉(zhuǎn)、豎直反轉(zhuǎn)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)會(huì)檢測(cè)各點(diǎn)的情況，使用檢測(cè)語句result1=P1&0xf0和result2=P1&0x0f的值選擇電機(jī)控制程序。系統(tǒng)在調(diào)試初期，出現(xiàn)光敏電阻被陰影擋住但不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況，通過查看程序，發(fā)現(xiàn)只有1個(gè)點(diǎn)被擋住時(shí)，程序才能判斷出結(jié)果，而當(dāng)相鄰2個(gè)點(diǎn)同時(shí)被擋時(shí)沒有進(jìn)行判斷，所以在相鄰2點(diǎn)同時(shí)被擋的情況下，程序不能輸出控制信號(hào)。通過把result1和result2在2點(diǎn)被擋時(shí)的檢測(cè)結(jié)果加入到程序中，再進(jìn)行判斷，電機(jī)正常轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到預(yù)期的檢測(cè)效果。

本程序采用將水平、仰角方向分開的控制模式，即只要有太陽能電池板有水平、仰角方向控制需求時(shí)，電池板在水平或者仰角方向單一旋轉(zhuǎn)，待該方向旋轉(zhuǎn)到位后再實(shí)施另一方向的旋轉(zhuǎn)，直至到位。其實(shí)，實(shí)際控制過程中，水平、仰角方向控制在本系統(tǒng)中可以同時(shí)進(jìn)行，即同時(shí)讓水平、仰角方向電機(jī)根據(jù)控制要求實(shí)施移動(dòng)，直至到位，這樣可以減少系統(tǒng)對(duì)光控制時(shí)間，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度及跟隨性能。

4結(jié)語

系統(tǒng)由開始的設(shè)計(jì)到后續(xù)的調(diào)試運(yùn)行涉及到很多情況，先是設(shè)計(jì)方案選擇與設(shè)計(jì)，再是調(diào)理電路參數(shù)選擇與確定，然后是檢測(cè)元件非線性與光敏電阻對(duì)光線變化靈敏度的不一致，測(cè)量結(jié)果還受到環(huán)境的影響等。因此，選用檢測(cè)精度高的光敏器件，對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分有利，檢測(cè)效果也比較理想。

根據(jù)課題需要，提出一種新型的檢測(cè)原理，簡(jiǎn)便的比較和驅(qū)動(dòng)電路，為太陽光檢測(cè)與電池板方位控制系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)提供了便利。經(jīng)過測(cè)試，系統(tǒng)能比較精確地檢測(cè)出太陽光的入射方向，通過調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)天陽能電池板方位，保持光線垂直入射到太陽能電池板上。系統(tǒng)檢測(cè)與控制效果良好，最大偏角<5°，可以滿足實(shí)際使用要求。

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The Control System of Detecting Sunlight Incidence Direction and

Adjusting Solar Panel Orientation

CHEN Duofei1, ZHONG Jiajie2, CHEN Rong3

Abstract：Wide application of sun energy will bring endless benefits to human society. But its efficiency has been an urgent problems to be studied and solved. How to get solar energy per unit time more effectively has practical significance. The sun light incidence direction detection and control system is composed of photosensitive resistance, MCU and stepper motor etc, in which the photoresistor detecting circuit acquires incident light direction information and the optical signal was changed into electrical signal. When the detection benchmark has angle difference with incident ray in detection system, benchmarking can produce shadows on photosensitive resistance. The detection circuit can detect the blanched position. The direction of solar panels can be determined. After the signal goes through handling circuit, MCU, the control signals was formed to control stepper motor actuator runing in horizontal, or elevation direction,to make solar panels facing the sunlight incident direction so as to get the most sun energy ultimately.

Keywords：detection incidence direction of sunlight; control orientation of solar panel; the photosensitive resistance; SCM; stepper motor

(責(zé)任編輯：李華云)

通訊作者：陳榮(1963-)，男，江蘇大豐人，教授，博士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮?、電力傳?dòng)技術(shù)。

作者簡(jiǎn)介：陳多飛(1990-),男，甘肅古浪人，主要研究方向?yàn)闄C(jī)房供配電。

收稿日期：2014-06-12

中圖分類號(hào)：TM932，TP23

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-5322(2015)01-0047-04

doi:10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201501011