光伏发电太阳能跟踪系统设计
李玲侯晓磊田新田亚宁曹雲梦
（华北理工大学，河北 唐山 063000）
【摘要】通过对太阳能光伏发电系统的分析,设计采用太阳能电池板最大功率点的跟踪系统来实现对太阳能的跟踪。太阳能跟踪系统采用自动控制的方法，利用单片机进行调节控制，使太阳能电池始终输出最大功率。同时，通过聚集系统的辅助作用，来继续增大太阳能的利用效率。用模块化的方法将软硬件结合起来，以期实现对太阳能的高效利用。
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关键词 太阳能；最大功率点跟踪；单片机；聚集系统
0引言
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大多数国家以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。而石油、天然气和煤炭都是有限的，是不可再生的。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。而就目前的太阳能设备而言，对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。解决这一问题应从提高设备的能量接收效率方向入手。太阳光线自动跟踪装置恰恰为解决这一问题提供了可能。不管哪种太阳能设备，如果它的能量转换部分能始终保持与太阳光垂直，就可以在有限的使用面积内吸收更多的太阳能。
1系统总体设计
本课题通过对太阳光线角度的计算，讨论不同经纬度下太阳能电池不同的方位角和倾斜角对其吸收光伏能量的影响，从而可以在一个地区大致确定安装太阳能电池板的最佳倾斜角和方位角。而对太阳位置的自动跟踪可以使太阳能电池板最大限度的接受太阳光的辐射，所以本课题研究一种基于单片机的太阳光线自动跟踪系统，该系统能自动跟踪太阳光的运动，使太阳能设备的能量转换部分所在平面始终与太阳光线垂直，从而提高设备的能量转换率。
2系统具体方案设计
2.1太阳角度的计算
太阳运行轨迹其实就是计算在地球某一点上观看空中的太阳相对地球的位置。人们在地球上观察太阳相对于地球的位置时，通常用高度角和方位角两个角度来确定。同一时刻，在地球上不同的位置，高度角和方位角是不相同的；同一位置，不同的时刻，高度角和方位角也是不相同的。
太阳的高度角是指太阳直射到地面的光线与地(水)平面的夹角，即是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳高度角是反映地球表面获得太阳能强弱的重要因素，日出日落时，高度角为0°，正午时高度角为最大。人们感觉早晚与中午的阳光强度有很大差异，原因就在于太阳高度角的不同。太阳方位角就是说太阳所在的方位，是指太阳实际上是太阳相对地球的地平面而言的，光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。
单轴太阳能跟踪系统仅是跟踪太阳方位角，只需要我们计算出当地某一时刻的太阳方位角，据此，设置好太阳能电池板早晨和晚上的朝向，就能实现太阳能的单轴跟踪；另一角度——太阳高度角只需随季节变化进行人工调节。所以将太阳能跟踪系统设计为双轴，一轴随季节调节跟踪太阳高度角，另一轴实现太阳方位角的自动跟踪。
2.2跟踪控制系统的硬件设计
2.2.1硬件整体设计（如图1）
2.2.2电源电路
电源模块需要向STC89C52提供5V的电源电压，向外部时钟提供5V的工作电压，以及向复位电路提供5V的逻辑电压。电源电压模块如图２所示。
2.2.3外部时钟电路
由于STC89C52内部没有时钟电路，所以需要设计一个外部时钟电路来支持单片机正常工作。外部时钟电路如图3所示。
2.2.4显示模块（如图4）
2.3步进电机驱动模块（如图5）
2.3.1步进电机概述
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组件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变得非常简单。
2.3.2步进电机原理及驱动电路
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的。通常电机的转子为永磁体，当电流流过定子绕组时，定子绕组产生一矢量磁场。该磁场会带动转子旋转一角度，使得转子的一对磁场方向与定子的磁场方向一致。当定子的矢量磁场旋转一个角度。转子也随着该磁场转一个角度。每输入一个电脉冲，电动机转动一个角度前进一步。它输出的角位移与输入的脉冲数成正比、转速与脉冲频率成正比。改变绕组通电的顺序，电机就会反转。所以可用控制脉冲数量、频率及电动机各相绕组的通电顺序来控制步进电机的转动。
步进电动机不能直接接到工频交流或直流电源上工作，而必须使用专用的步进电动机驱动器，驱动信号必须为脉冲信号，没有脉冲的时候，步进电机静止，如果加入适当的脉冲信号，就会以一定的角度（称为步距角）转动。转动的速度和脉冲的频率成正比。
步进电机分三种：永磁式（PM）、反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为1.5度，但噪声和振动都很大，在欧美等发达国家80年代已被淘汰；混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点，分为两相和五相，两相步进角一般为1.8度而五相步进角一般为0.72度，这种步进电机的应用最为广泛。
本课题设计的太阳能跟踪系统太阳能电池板的最小转动角度为15度，所以本课题采用永磁式步进电机。
2.4软件设计（如图6）
3小结
本课题设计的大范围跟踪传感器跟踪装置利用粗定位光电池和精定位光电池相结合的双重定位方法，不仅可以实现大范围跟踪(理论上高度角和方位角均可实现将近180度范围的跟踪)，且跟踪精度高。目前，已有多种太阳跟踪装置，但大多造价高、结构复杂，丽未能广泛应用。而一种设计独特的太阳自动跟踪系统，不仅可以使结构更加简单、成本更低，将会有更广阔的应用前景。本课题设计的太阳能跟踪系统设计合理、制做简单、成本低、实用性强、跟踪精度高，能大大提高太阳能的利用率。
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