太阳能自动跟踪系统的设计

武风波，张会可

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)



·信息科学·

太阳能自动跟踪系统的设计

武风波，张会可

(西安科技大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710054)

为了使太阳光始终垂直太阳能电池板照射,提高太阳能转化为电能的效率，设计了以STM32F103ZET6为核心,外围扩展光强采集，步进电机，GPS，液晶显示等的自动跟踪系统。LCD液晶显示屏显示相关数据,太阳光跟踪采集模块采用视日运动轨迹追踪与光电检测两种方式相互配合，GPS模块获取当地的时间日期及经纬度等信息,据此测算太阳方位角及高度角,并驱动步进电机调整太阳能板角度。测试表明系统能实现实时跟踪太阳光,工作稳定,灵活性强。

STM32F103ZET6;光敏电阻;太阳能板;自动跟踪; GPS;视日运动

随着经济的快速发展,能源危机、生态环境污染问题日趋严重,给经济社会带来严重危害,因此必须寻找新的清洁、可再生能源来替代传统能源。太阳能是一种重要的新型能源,主要来源于太阳辐射[1]，是地球上极其丰富的可再生能源,开发利用太阳能不会对环境造成危害,具有广阔的应用开发前景。但是，当前太阳能转化效率低,限制了太阳能的应用和推广。使太阳能板与太阳光保持垂直角度是提高太阳能转化效率的有效途径[2]。而现状是太阳能板普遍采用固定朝南的安装方式,这样做产生的问题是:太阳能转换效率偏低,不能自适应跟踪。

充分研究现有太阳能装置的特点[3],为提高太阳能装置转化效率,使太阳能板跟踪并保持与太阳光线的垂直角度是十分必要的[4]。本设计基于STM32F103ZET6[5]单片机设计实现太阳能板自动跟踪系统,通过视日运动轨迹与光电传感控制相结合的方式实现太阳光追踪[6]。系统具有双轴跟踪、精度高、适应性强等优点,不仅能有效地解决由于太阳能能流密度低和因季节、地点、气候等各种因素导致系统无法充分利用的问题,而且大大提高了太阳能的利用率[7],可以广泛应用在光伏发电、太阳能热水等系统中。

1 硬件设计

本系统硬件部分包括太阳光跟踪[8]采集，步进电机[9]及其驱动电路，齿轮设计与安装，LCD液晶显示，支撑机构，电源，GPS等模块。核心芯片采用STM32F103ZET6,它具有功耗低、控制方便、接口丰富、易于扩展、成本较低等突出特点,系统总体设计框架如图1所示。

图1 系统总体设计框架Fig.1 System design framework

1.1 太阳光跟踪采集模块

太阳光采集模块采用视日运动轨迹与光电传感控制[10]相结合的追踪方式[11]。

1.1.1 视日运动轨迹追踪 通过GPS模块,获得实验当地的时间、日期、经纬度等信息[12],根据测得数据,STM32计算出从日出到日落太阳运行的角度,进而转化为步进电机应该转动的角度,由驱动电路带动步进电机转动,使太阳光与电池板保持垂直。这种方法不受天气情况的影响,可实现连续追踪,但其缺点是连续转动产生累计误差,不能自动消除。

1.1.2 四象限光敏电阻探测器 光电检测部分采用4个5528光敏电阻,每两个光敏电阻一组,根据光敏电阻的光电效应,4个光敏电阻通过挡光板分割成东南西北4个位置,当太阳光移动时,4个光敏电阻的值就会发生变化。通过STM32的AD通道采集与光敏电阻串联的电阻两端的电压,然后对水平方向的两个电压值和垂直方向的两个电压值分别进行比较,进而使STM32分别控制水平方向和垂直方向的步进电机转动[14]。

由于在阴天及多云天气情况下,光电检测部分很难响应光线的变化,甚至可能发生误操作,所以我们用以上两种追踪方式[15]相互补充。

1.2 步进电机及驱动电路

结合太阳光跟踪采集模块,STM32首先判断是哪种追踪方式,进而驱动步进电机带动太阳能板的转动,达到跟踪太阳的目的。

步进电机有两个,大号电机控制水平方向底座转动,小号电机控制垂直方向电池板转动。驱动电路选用L298N芯片，L298N的输入端与核心控制芯片端口相连,输出端控制步进电机的运动。为了防止电机由运行状态突然转变为停止状态，或者由顺时针运行突然转变为逆时针运行而产生很大的反向电流损坏芯片,所以在L298N的电源与地之间连接8个整流二极管1N4007,从而起到保护芯片的作用。

1.3 齿轮模块设计及安装

齿轮共两组,水平方向一个大齿轮一个小齿轮,控制水平方向支架底座的转动;垂直方向半个大齿轮一个小齿轮,带动垂直方向太阳能板的转动。齿轮制作及安装的好坏直接影响太阳能电池板转动是否顺畅。齿轮安装如图2所示。

图2 齿轮实物安装Fig.2 Gear physical installation

1.4 LCD液晶屏显示模块

本设计采用的液晶屏自带ILI9341控制器,分辨率为320*240,3.2寸液晶屏幕,该液晶显示模块通过STM32的FSMC接口控制,显示速度快,便于操作。显示模块用来显示当前日期、时间、太阳高度角和方位角及4个光敏电阻分别采集的数据,实现友好的信息显示界面。

1.5 支撑机构

太阳能自动跟踪系统的机械结构主要有:支架,水平和垂直方向各一大一小两个齿轮,主轴,基座,步进电机,电池板。水平方向的步进电机通过控制水平方向小齿轮咬合大齿轮带动支撑架构主轴转动,竖直方向的步进电机通过控制竖直方向的小齿轮咬合半个大齿轮带动太阳能电池板竖直转动。

1.6 电源模块

太阳能电池板输出20V左右的电压,通过降压稳压电路,利用芯片7805及7812把太阳能电池板随光强可变的电压降压稳压到工作电压5V及12V,给芯片及步进电机供电。

1.7 GPS模块

本系统选用野火Ublox NEO-6M GPS 接收机,该机带EEPROM,可掉电保持GPS信息,搜星能力强。通过GPS模块,主要获得实验地点的时间、日期、经纬度,将其提供给视日运动轨迹子程序,进而计算出太阳的高度角和方位角信息。

2 软件设计

本系统软件设计主程序主要由以下几部分构成:A/D数据采集模块，GPS模块，液晶显示模块，步进电机模块,现分别进行介绍。

2.1 主程序设计

主程序流程如图3所示，系统上电后,首先对各个模块进行初始化操作,然后复位到起始位置对准太阳,根据GPS模块获得的当前时间判断是白天还是夜晚,如果是夜晚,则系统休眠不再运转;如果是白天,则首先进入视日运动追踪模式,然后再对天气情况进行判断,如果是阴天或者多云天气,继续运行在视日运动模式下,如果天气晴朗,则切换到光电检测模式下运行。

2.2 光电检测子程序

当进入光电检测追踪模式时,先对STM32进行初始化设置,然后通过AD接口采集数据,并判断水平方向两个光敏电阻的电压差是否在阈值内。如果不在阈值内,水平方向的电机旋转,使光敏电阻的电压差在阈值内,当水平方向的电压差在阈值内时,判断竖直方向的光敏电阻的电压差是否在阈值内,如果不在设定的阈值内,控制竖直方向步进电机转动,使其电压差值调整到阈值内,如此周期循环,使太阳光始终与太阳能板垂直。程序工作流程如图4所示。

图3 主程序流程图Fig.3 The main program flow chart

图4 光电检测子程序流程图Fig.4 Photoelectric detection subroutine flowchart

2.3 GPS 数据解析程序

给系统上电,GPS模块工作,将接收到的信息提供给GPS数据解析子程序,获取实验地点的时间、日期、经纬度等信息,并将其提供给视日运行轨迹算法,计算出太阳的高度角和方位角。

2.4 液晶显示子程序

主程序中调用液晶显示子程序,进而在液晶屏上显示。LCD液晶显示子程序开发,首先要将生成的汉字字库复制到SD卡根目录下,然后STM32通过程序读取文件获得字库的数据进而完成汉字等字符的显示。

2.5 步进电机转动子程序

步进电机是将电信号(脉冲的一种)转化成为机械角度位移的机械元件。光电检测追踪模式下,每当水平或垂直方向的阈值超过设定值,驱动电路便会驱动步进电机进行相应的转动。不停地加入电信号,它就不断地转动。视日运动追踪模式下,控制芯片计算出太阳每个时刻转过的角度,转化为步进电机应该转动的角度,进而控制驱动电路带动电机转动。

3 性能测试

在实验室环境下,检测以下各个模块：PCB电路板、电机、液晶屏、光敏电阻采集、步进电机、齿轮、支架等工作情况。当一切准备就绪把设备搬到天台上接受检验。测试结果表明,该系统确实能跟随太阳光自动调整方向,达到电池板跟太阳光垂直的目的。图5为测试实物图。

图5 太阳能自动跟踪系统实物调试Fig.5 Debugging of solar energy automatic tracking system

各系统正常运行,液晶屏上显示实验地点的时间、日期、太阳方位角和高度角,将其与网络版日梭万年历对应发现,所有显示内容均在允许的误差内,同时观察液晶屏上东西南北四象限光敏电阻分别采集的数据,皆在设定的阈值内,符合系统对跟踪精度的要求,LCD显示内容如图6所示。

图6 LCD液晶显示屏显示内容Fig.6 LCD screen display

4 结 语

太阳能自动跟踪系统可使电池板始终跟随太阳光适时转动,在很大程度上提高了太阳能转化为电能的效率。在传感器数据采集、液晶屏显示等方面具有较好的实时性与交互性;具有较强的抗干扰性能,保证了太阳能自动跟踪的准确性及可靠性。目前,该系统已在学校实验楼实际应用,经长期测试,性能稳定,利用率高,具有较高的利用价值和广阔的市场前景。下一步，系统需实现远程控制[16]。太阳能一般安装在山区等电力不发达、交通不便利的地方,如能实现远程控制,不仅能节省大量的人力物力,还为太阳能进一步造福人类生活提供可能。

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(编 辑 李 静)

The design of solar energy automatic tracking system

WU Fengbo, ZHANG Huike

(School of Communication and Information Engineering, Xi′an University of Science and Technology, Xi′an 710054， China)

In order to make the sun vertically irradiate the solar panel, improving the efficiency of solar energy into electricity. This system uses STM32F103ZET6 as the core control chip, system expands the light intensity acquisition, stepper motor, GPS, LCD display etc. LCD screen displays related data, sunlight tracking acquisition module depends on the trajectory tracking following the sun and photoelectric detecting to complement each other. The GPS module is used to obtain the local time, date, latitude and longitude information, according these estimates solar azimuth and elevation angle, then drives the stepper motor to adjust the angle of the solar panels. The test shows that the system can achieve real-time tracking the sun, work stability and flexibility.

STM32F103ZET6; light dependent resistor; solar-cell panel; automatic tracking; GPS; apparent movement

2016-04-12

国家科技支撑计划基金资助项目(2013BAK06B03)

武风波，男，陕西澄城人，高级工程师，从事通信与信息系统方面的研究。

TP872

A

10.16152/j.cnki.xdxbzr.2016-06-009