摘要：为了增加太阳能电池的输出功率，往往采用光伏板自动跟踪太阳的方法。文章在传统的四象限法跟踪基础上，设计了一种六象限法光电式太阳位置检测跟踪装置。采用STC12C5A60S2单片机作为控制芯片，以步进电机作为执行机构，通过单片机控制双步进电机，实现双轴太阳自动跟踪。实验表明，该系统不仅可以实现对太阳的自动跟踪，而且能提高对太阳跟踪的稳定性，具有较高的实用价值。
关键词：光伏发电，自动跟踪，单片机，步进电机，六象限
0 引言
从太阳能电池的数学模型中可以看出，在相同条件下，日照强度越大，太阳能电池板的输出功率越大[1]。增大太阳能电池板受光面上的光照强度可以增加太阳能电池板的输出功率。因此，在有效光照时间内，使太阳光始终垂直照射到光伏发电系统的太阳能电池板上，让太阳能电池板最大限度地获取太阳能是降低太阳能发电成本、延长发电时间、增加发电量的有效策略[2]。
太阳跟踪方式可以分为单轴跟踪和双轴跟踪。通常，单轴跟踪是控制太阳能电池板方位角来跟踪太阳；双轴跟踪是控制太阳能电池板方位角和高度角来跟踪太阳[3]，[4]。
太阳自动跟踪还分为主动式跟踪和被动式跟踪[5]。主动式跟踪是依照太阳轨迹数学模型，根据当地时间和经纬度算出太阳的位置[6]，[7]。主动式跟踪有较高的精度，但是也存在累积误差、自身成本和安装成本较高的缺点[8]。被动式跟踪即为光电跟踪，根据光学传感器所获得的数据来控制电机[9]，[10]。被动式跟踪不须输入经纬度或者GPS模块，成本上相对较低。但是，对于传统的四象限法光电式跟踪，如果长时间出现乌云或者在早晨太阳刚刚升起时，当太阳光线与透镜光轴夹角超过一定角度，就无法跟踪太阳，甚至引起执行机构的误动作[11]，[12]。
本文针对四象限法光电式太阳自动跟踪系统存在的问题，运用六象限法设计光电式太阳自动跟踪系统，采用双步进电机作为执行机构，研制了一种双轴式跟踪方式的新型太阳自动跟踪系统。
1 系统组成及设计原理
1.1 系统组成
本控制系统的硬件控制电路总体框图如图1所示。该系统主要由控制模块、太阳位置检测模块、执行模块、电源电路模块及相应外围电路组成。系统软件部分主要包括模数转换程序、判断主程序和定时器子程序。
图1 太阳自动跟踪系统硬件控制电路总体框图
Fig.1 Hardware control circuit block diagram of solar tracking system
控制模块的核心是STC12C2052AD芯片，此芯片是高速率、低功耗、超强抗干扰的新一代8051单片机，内部集成8路高速8位A/D转换。该单片机可以运行于空闲、低速和掉电3种省电模式以降低功耗，加上较小的外围电路即可组成最小的应用系统。
太阳位置检测模块是在一个类似四棱台的6个面上布置光敏传感器，输出的6个信号可以对太阳定位和跟踪。
执行模块主要包括步进电机驱动模块、步进电机以及相应的传动结构。通过给模块输入相应的脉冲驱动信号，使模块根据脉冲信号驱动两个步进电机转动相应的角度，通过丝杠使太阳能电池板转动，电池板正对着太阳即停止。
电源模块主要为控制模块、太阳位置检测模块、执行模块提供电源。由于STC12C2052AD单片机的电源电压和步进电机电源电压均为+5 V，因此电源电压采用+5 V输出的稳压源。
1.2 系统工作原理
太阳位置检测模块检测太阳光线，向控制模块输送太阳位置信号；控制模块根据太阳位置信号给执行模块发出相应脉冲；执行模块根据相应的脉冲，驱动两个步进电机转动相应的角度，实现太阳定位与对太阳能电池板高度角和方位角的调节控制；最终使太阳能电池板能自动跟踪太阳。
图2给出了太阳自动跟踪系统的结构示意图。图中a，b分别为两个步进电机，c为太阳能电池板。为了提高太阳能电池板在一定风力下的稳定性，在两个步进电机与传动装置间采用了蜗轮蜗杆机构。
图2 太阳自动跟踪系统结构示意图
Fig.2 Schematic of solar tracking system
2 太阳位置检测模块设计
四象限太阳位置检测器的检测角度一般约为20°，当检测角度过大时，会造成太阳位置判断得不准，甚至无法跟踪太阳位置。
图3 太阳位置检测模块外形图
Fig.3 Outline of module for sun position detection
本文设计的六象限太阳位置检测器，外形类似于正四棱台形状(图3)。光敏传感器分布在ABCD、ABFE、BCGF、CDHG、DAEH和IJKL等6个平面上，且AE=BF=CG=DH，AB=BC=CD=DA，EF=FG=GH=HE=IJ=JK=KL=LI。其中，分布在面ABCD上的感光元件对正面光强进行检测，分布在面IJKL上的感光元件对背面的光强进行检测，分布在其它面(ABFE、BCGF、CDHG、DAEH)上的感光元件对太阳的方位角和高度角进行检测。
2.1 检测原理
在一定范围内，可以认为太阳光是平行光源，因此在一定的太阳光照条件下，太阳能电池板在单位时间内接收的太阳辐射量是由太阳能电池板与光照角度决定的(图4)。
图4 太阳光线与电池板夹角示意图
Fig.4 Angle between the sun's rays and solar panels
电池板上的光照强度E：
E=εcosθ (1)
式中：ε为单位面积的辐射通量；θ为太阳光线的垂面与太阳能电池板表面夹角(0≤θ＜360°)。
由于电池板的输出电压与接收的太阳辐射量呈正比(U∝E)，则由式(1)可知，电池板输出的电压与θ的余弦呈正比(U∝cosθ)。
为了便于理解，这里将光强转化到投影面的大小来说明，即假设某小块面积dS上，在太阳辐射通量ε不变的情况下，投影面积越大，dS上的光强越大。
如图5所示，令感光元件所在面ABCD，ABFE，BCGF，CDHG，DAEH在太阳光线垂面上的投影面为S0，S1，S2，S3，S4。面IJKL的投影面为S5(在图5中被挡住没有显示出来)。图5(a)表示电池板正对太阳时，检测装置在太阳光线垂面的投影；图5(b)表示太阳在电池板前方，但不是正对着电池板时，检测装置在太阳光线垂面上的投影。
图5 检测装置外形投影
Fig.5 Shadow of detection device
由公式(1)可知，当θ等于0°时，电池板接收的光照强度E最大，这时太阳能电池板与太阳光线垂直。从图5(a)可知，投影面积S1=S3，S2=S4，即太阳位置检测模块的4个侧面ABFE，BCGF，CDHG，DAEH所接受的光强相等。
当θ≠0°时有两种情况。第一种是面ABCD，ABFE，BCGF，CDHG，DAEH被面IJKL挡住了，只有面IJKL面的投影；第二种是面ABCD，ABFE，BCGF，CDHG，DAEH中至少有一面有投影。假设投影面为图5所示，这样会造成面ABCD，ABFE，BCGF，CDHG，DAEH的投影面S1、S2，S3，S4中，S1与S3，S2与S4中至少有一组面积不相等。为了方便说明，假设面积S1＜S3，S2＜S4，即ABCD面光强要比BCGF面光强要大，此时通过调整太阳能电池板竖直方向的角度就能使S1=S3。假设面积S1=S3，S2＜S4，即ABFE面光强要比DAEH面光强要大，此时通过调整太阳能电池板水平方向的角度就能使S2=S4。因此，S1与S3，S2与S4的大小关系可以用来反映太阳能电池板与太阳的水平角度和竖直角度的关系。S0和S5可以反映太阳能电池板与太阳的前后位置关系。现实中用来衡量光的强弱，可以用光敏传感器的电阻或者电压来判断。
2.2 检测电路设计
依据太阳位置检测原理，选用光电管、光电倍增管、光敏电阻、太阳能电池等反映光强变化的传感器。本系统采用成本较低的光敏电阻，其电路原理如图6所示。其中LR6是在面ABCD上的光敏传感器，LR1和LR2是分别在面ABFE和面DCGH上的光敏传感器，LR3和LR4分别是面ADHE和面BCGF上的光敏传感器，LR5则是在面IJKL上的光敏传感器。理想情况，在相同的光强下，光敏传感器LR1与LR2、LR3与LR6、LR4与LR5所对应的阻值相同，即它们有完全相同的特性曲线。定值电阻R1与R2是阻值相等的保护电阻，电位器R3为休眠光强休眠点的调节电阻，所以在检测模块正对着太阳的情况下，U1＜U2，U3≈u0/2，U4≈u0/2。
图6 检测电路原理图
Fig.6 Detection circuit schematics
3 执行模块设计
执行模块主要包括步进电机驱动模块、步进电机以及相应的传动结构。
由 于步进电机受脉冲控制，其步距角和转速大小不受电压波动和负载变化影响，也几乎不受温度、气压等外部环境影响，它仅与脉冲频率有关。步进电机每转一周都有 固定的步数，在不失步的情况下，其运行步距误差不会长期积累。该特点使其非常适合数字控制的开环系统，特别是低速的太阳跟踪系统。
本系统采用四相永磁式步进电机，通电运行方式采用单双八拍[13]。
步进电机的步距角θS的大小是由转子的齿数Zr、控制绕组相数m和通电方式所决定：
式中：C为通电状态系数，采用单拍或者双拍通电运行时C=1，采用单双拍通电运行时C=2。若步进电机通电的脉冲频率为f，由于转子经过ZrC个脉冲旋转一周，则步进电机的转速为
本系统选用的步进电机是28BYJ48永磁式减速步进电机，减速比为1∶64。采用单双八拍通电运行方式其步进角为。若要转动1圈，则需4096个脉冲信号。因此此种减速步进电机可以胜任较高精度的太阳跟踪。
4 自动控制算法
当太阳正对着太阳能电池板的时候，检测模块的4个侧面上的光强相等，则6个光敏电阻有LR4≈LR5，LR3≈LR6，LR1＜LR2。由图6可知，U1＜U2，U3≈u0/2，U4～u0/2。
当太阳在太阳能电池板的前方，但光线不垂直于电池板时，有LR4≠LR5，LR3≠LR6，LR1＜LR2；由图6可知，U1＜U2，U3≠u0/2，U4≠u0/2，即U3和U4偏离了u0/2。此时可以根据U3和U4是正偏或者负偏于u0/2，来控制相应的步进电机正转或者反转。
当太阳在太阳能电池板背面时，有LR1＞LR2。由图6可知，当U1＜U2，可以控制相应的步进电机一直转动，直到LR1＜LR2时再换用前两种控制方案。
5 实验及结果
跟踪精度不仅跟安装位置和天气有关，还跟步进电机精度、跟踪转台的机械结构有关，因此跟踪误差在所难免。为了更好地检验装置的功能，本文做了两组实验。
第一组实验在室内进行。采用100 W钨 丝灯作为光源，通过移动钨丝灯的位置模拟太阳移动，通过遮挡灯光等手段来模拟多云、日出、日落情况下的跟踪效果。实验结果表明，系统的稳定性较好，两个步 进电机能够根据控制器发出的信号做出正确的正、反转动作，并转动合适的步数。在多云情况下，使太阳能电池板处于光线最强的位置；在日落时系统休眠；在日出 时快速定位跟踪太阳。
第二组实验是两套装置的对比测试，一套配有太阳自动追踪系统，另一套是固定式太阳能系统。两套系统都安装了输出电压为6V、输出功率为1.6W的太阳能电池板，在相同日照的环境下分别给两套相同的电阻负载供电。用直流电能表分别测量两套电阻负载每天获取的电量，从而准确地评价两个装置对太阳能的利用率。2014年6月，在天气晴朗的7d对两组装置测试，每天测试7h，检测的相关数据如表1所示。
表1 电阻负载消耗的电量
Table 1 Electricity consumption of resistive load
|
编号 |
电阻负载消耗的电量/Wh |
相对电量增幅Δw/% |
|
|
固定式装置w0 |
跟踪式装置w1 |
||
|
1 |
8.6 |
10.8 |
26 |
|
2 |
8.8 |
10.7 |
22 |
|
3 |
8.3 |
10.3 |
24 |
|
4 |
9.2 |
11.1 |
21 |
|
5 |
9.0 |
10.9 |
21 |
|
6 |
8.8 |
10.9 |
24 |
|
7 |
8.3 |
10.2 |
23 |
表1中的相对电量增幅Δw为
式中：w0为固定式装置电阻负载消耗的电量，w1为跟踪式装置电阻负载消耗的电量。
从表1可见，本系统比固定式太阳能发电装置的发电量提高了20%以上，最高提高了26%。
6 结语
在传统的四象限法光电式跟踪的基础上，设计了一种六象限法太阳位置检测装置，并利用STC12C5A60S2单 片机作为控制芯片，以步进电机作为执行机构，通过单片机控制步进电机的方式实现了双轴太阳自动跟踪。实验结果表明，此系统不但可以实现对太阳的自动跟踪， 还能较好地应对多云天气，解决了四象限法太阳跟踪在云层较多时无法跟踪太阳，甚至引起执行机构误动作的缺陷。本系统制作成本低，具有较高的实用价值。
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