1、1太阳能自动跟踪发电控制系统的开发与设计摘要：当前,由于技术条件限制,光伏发电的转换效率很低,严重制约了太阳能发电的发展与普及,因此,在现有条件下,寻求一种实用的方式去提高太阳能的发电效率是非常必要的。实践证明,太阳能的发电效率和太阳能电池板与太阳光线的角度有很大关系,太阳能发电中,太阳能电池板实时和太阳光线保持垂直能在很大程度上提高太阳能的发电效率。本文针对如何提高太阳能发电效率的问题,提出了采用自动跟踪的方法,让自动跟踪系统对太阳的运动轨迹作出实时判断,从而使太阳能电池板实时和太阳光线保持垂直,提高光伏转换效率。 关键词：太阳能；自动跟踪；发电控制系统；开发与设计 中图分类号：TK511
2、文献标识码：A 文章编号： 1.引言 地球上，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，不存在运输问题。同时，太阳能也是一种洁净的能源，在开发和利用时，不会产生废渣、废水、废气，也没有噪音，更不会影响生态平衡。但是，太阳能的利用有它的缺点：一是能流密度较低，日照较好的，地面上 1 平方米的面积所接受的能量只有 1 千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。二是受大气2影响较大，给使用带来不少困难。本文设计一种基于 GPS 定位及太阳方位计算的的太阳自动跟踪装置，该装置能自动跟踪太阳的运动，保证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，提高
3、设备的能量利用率。与此同时加以风力发电机辅助发电给蓄电池充电，进而在夜间给路灯提供电源。 2 太阳能自动跟踪系统硬件设计 2.1 太阳能自动跟踪系统的机械构成及工作原理 太阳能自动跟踪系统的机械结构由太阳能电池板、减速电机、齿轮传动机 构、基座等构成。基座主要支撑和固定太阳能自动跟踪器。当太阳照射角度发 生变化时，垂直方向（Y）和水平方向(X)的减速电机就会相应的通电转动，通过齿轮机构传动使太阳能电池板始终与太阳光线垂直，即获取到最大的太阳光照能量。整个装置由机械部分和控制部分组成。机械部分主要包括底座、主轴、齿轮和齿圈等如图 1 所示。主要实现根据控制电路控制信号执行相应跟踪动作等。 图 1
4、：太阳能自动跟踪系统的机械设计实物图 图 2：整机拓扑图 2.2 控制部分 主要由 GPS 接收、辅助光传感器、单片机系统和电机驱动电路等。系统采用 GPS 模块获取当地的时间日期等信息，用以计算实时的太阳方位，进而实现对太阳的根中同时借助辅助光传感器检测光照强度，在光3强较弱时关闭系统以节约能源。驱动直流电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。整机系统如图 2 所示。 其中，核心部分是太阳能自动跟踪装置如图 3 所示，利用 GPS 全球卫星定位系统获取装置安装地点的经纬度、时间、日期等信息，根据太阳轨迹公式计算出太阳相对装置的方位，用以驱动太阳能电池板对准太阳，保持太阳光线时刻与太阳能电池板垂直
5、，使太阳能利用率达到最高。与此同时，辅以光敏元件检测光照强度，在光照不强的阴雨天气等时候关闭机械驱动以节省电源。整个系统安装方便，只需确保安装位置水平，以及对准南北方向即可，系统开启即自动检测并校准机械驱动速度。并且系统信息可以通过无线方式远程传输到终端上，可以通过终端远程随时查看系统运行状态。 其中，太阳电池板、风力发电机提供整机的全部电力输入。白天主控制器控制将太阳能电池板以及风力发电机提供的电量给蓄电池充电。晚上，主控制器按照设定方式点亮 LED 路灯，若是夜间风力足够，风力发电机可以同时提供路灯及蓄电池充电的电源。 GPS 模块输出标准 NMEA 协议报文，一帧完整的报文数据如下：利用
6、51 单片机接收报文，解析出时间、日期、经纬度等信息，据此计算出太阳方位，控制驱动器对准太阳方位，并且监控驱动器工作状态，防止电机堵转等情况时继续供电损坏电机及驱动器。 图 3：太阳自动跟踪部分拓扑图图 4：STC12C5A60S2 引脚功能 42.3 主控制器 采用 STC 公司的产品 STC5A60S2，内部带有 60K flash 空间以及1280 字节 ram 空间确保 GPS 解析及太阳方位计算的可靠运行，同时带有AD 功能，可直接通过光敏电阻检测环境光线而不必另外增加 adc 转换芯片。其引脚功能如图 4 所示。GPS 接收部分采用了 C3-370C 模块，直接输出串口 NMEA
7、报文数据，极大地简化了单片机的工作。 2.4 电机堵转检测电路 机械装置置于室外工作，日晒雨淋时间长了容易发生故障，例如电机堵转等，为防止电机堵转时驱动器继续供电导致电机或者驱动器损坏，设计了电机堵转检测电路：远程检测终端部分，便于无线远程监控系统的运行状态，电路如下：主控制器采用了 Atmel 公司的产品 AT89C51，基本功能与 STC5A60S2 相似，不在重复介绍。终 端 采 用 nokia5110 液晶显示器显示信息，显示内容丰富，功耗低。并且根据主机传来的时间信息，智能控制液晶背光开关，只在夜间开启，进一步节省能源。 2.5 程终端整机电路（图 5） 3.太阳能自动跟踪系统软件设
8、计 图 6：自动跟装置软件流程图 4.太阳能自动跟踪系统经济效益分析 中国太阳能资源非常丰富，太阳能资源开发利用的潜力非常广阔。中国光 5伏发电产业于 20 世纪 70 年代起步，90 年代中期进入稳步发展时期。2009 年 3 月 23 日，财政部、住房和城乡建设部出台关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见 ，并出台了太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法 ， 决定有条件地对部分光伏建筑进行每瓦最多 20 元人民币的补贴。2009 年 7 月 21 日财政部、科技部、国家能源局联合宣布在我国正式启动金太阳示范工程，三 部门联合印发了关于实施金太阳示范工程的通知 ，决定综合采取财政助、科
9、技支持和市场拉动方式，加快国内光伏发电的产业化和规模化发展，并计划在 2-3 年内，采取财政补助方式支持不低于 500 兆瓦的光伏发电示范项目。可见，在我国政府强有力的政策引导下，中国的太阳能光伏发电市场已经开始启动。我们设计的该产品具有省略电缆铺设投资，维护费用低的优点。其相关费用计算如下： （1）市电路灯每年费用原来市电路灯 100 盏 x500w=总功率 50000 瓦，每天照明 12 个小时等于一天耗电 600 度电，每年计算总耗电量为 219000度电；219000 度电 x 1.5 元=32.8 万元的电费； （2）太阳能照明系统费用一次投资改造后，平时不需要保养维护及其它费用，每
10、年可节约 32.8 万余元电费；太阳能电池板、风力发电机等主要部件使用寿命为 15 年到 20 年，LED 照明灯 10 年以上使用；铅酸蓄电池使用寿命为 3-5 年。 （3）改造 10 盏灯使用 15 年之比较 6经过改造后 10 盏灯 15 年就可节省开支 444030 元，随着常规能源的价格不断升高，常规能源的价格有进一步升高趋势，其经济效益收益是十分显著的。本项目的预期目标之二是社会效益。风能太阳能互补路灯处处体现了现代化建设美化环境、保护环境的理念。安装风能太阳能互补路灯，迎风飞转的风车不仅可以给道路一种动感的点缀，而且更能突显我国人民崇尚环保、重视节能和跟踪高新技术的理念。能向广大师生和社会群众进行新能源利用和生态环保知识的直观教育，其社会效益更是远远无法用金钱衡量的。 参考文献： 1张文涛.基于 PLC 的太阳能自动跟踪系统的设计与实现J.制造业自动化，2010-3. 2尤金正，邹丽新，周同，王海燕，杜伟巍.太阳自动跟踪系统的设计J.现代电子技术,2009-11. 3边文俊.边疆家用太阳能电池板自动跟踪太阳光系统设计与应用J.阴山学刊(自然科学)，2011(01). 4王青直，徐进.基于 PSD 传感器太阳自动跟踪系统的研究与实现J.自动化技术，2007-10.
