侯文宝，刘志坚

（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

近年来，许多地方出台政策鼓励居民在屋顶自设光伏发电装置，作为电力系统的补充。此外，长远看来，太阳能作为清洁的可再生能源也是得到了人们的重视[1-3]。研究人员实验了很多方法来提高发电效率，文献[4]研究了不同经纬度发电效率最高的光伏板安装最佳倾角。但是太阳的运动轨迹会随着时间变化而改变，所以在光伏板固定在一个角度的情况下，光伏板在一天中绝大多数时间都不能和太阳光线形成垂直关系，也就是说不能最有效的利用太阳光。文献[5]研究了聚光光伏发电技术，但是诸如成本高、聚光电池效率低、聚光冷却技术等限制条件阻碍了聚光光伏的实用推广。为了更高效的采集太阳辐射能，提高光伏发电效率，设计了一种自动调节光伏板的光伏自动跟踪控制系统。

图1 光伏自动跟踪系统框图

1 工作原理

自动跟踪系统选择4 个光敏电阻作为光敏传感器，安装在光伏板四边中点位置。光敏电阻的阻值会随着吸收的光照强度的增强而变小，每个光敏电阻和光伏板之间设置一个小挡板，当光伏板直对阳光时，光敏电阻的阻值大小相等。而随着太阳位置发生改变，部分光敏电阻将逐渐进入小挡板形成的阴影区域，比较上下和左右的两组光敏电阻的阻值大小关系，在单片机中产生脉冲信号。该信号通过放大电路处理后将驱动伺服机构调整光伏板的偏移角度让其能够继续接受阳光的正面照射，从而完成对太阳的跟踪。

自动跟踪系统的电机伺服机构设计为双轴跟踪[6-7]，选用两个步进电机，能够在高度角和方位角两个维度同时追踪。系统是一个闭环随机系统，具有较高的稳定度和灵敏度。光伏自动跟踪系统控制原理框图如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 控制芯片选择

控制芯片的选用要考虑到芯片功能齐全、信号处理速度快，还要经济实用。为了便于系统的操作运行，设计要求能在线改写，并且可以在突然停电情况下保管数据，系统要尽量少的使用外围扩展，具有较好的运行可靠性，综合这些要素，最终选用STC89C52RC单片机。

2.2 光电检测电路设计

(1)光敏传感器的选择

光敏传感器选择的是光敏电阻，能够根据阳光的强弱转变，转变为相应电信号传递给单片机驱动设备运行。设计4 个光敏电阻放在光伏板的东南西北4 个边的中点，通过判断4 个光敏电阻的阻值关系使光伏板与太阳光保持垂直。

(2)AD 转换电路

太阳光是一种模拟信号，单片机不能够直接对其进行数据处理，需要进行A/D 转换，转变为单片机可以直接处理的信号。而模数转换电路是模拟量和数字量之间的桥梁。本系统选用PCF8591 芯片作为数模转换器。

(3)光电检测电路

太阳高度角以及方位角主要是由光电检测装置完成检测。一旦高度角或者是方位角发生改变，检测装置上的光敏电阻传输出的信号也会随之改变，再经单片机运算处理将接收到的信号转变为脉冲信号传送到步进电机，最终带动执行器件运转。使得采集光板可以正对阳光，实现对太阳的跟踪。本设计的光电转换电路由4 个基本光敏电阻电路组成，接PCF8591A/D转换芯片，转换的信号传输到单片机进行数据处理。

2.3 步进电机驱动电路设计

(1)步进电机

由于步进电机具有稳定可靠，不积累误差等特点，设计选用的28BYJ48 步进电机是四相八拍电机，电压取值范围在直流5V-12V 之间。正常情况下电机的转速和停止的位置由脉冲信号的频率和脉冲数决定，给电机输入一个脉冲信号产生一个步距角，与负载的变化没有关系。

(2)步进电机驱动芯片

单片机传输出的信号经过驱动芯片，才能传送到步进电机，驱动其运行。系统的驱动采用ULN2803 芯片。ULN2803 内部包含8 个NPN 达林顿晶体管，可用于低逻辑电平数字电路。

(3)步进电机的单片机控制

步进电机的驱动电路接收到单片机发出的一个脉冲信号，将其转变为步进电机一个对应的角位移，通过脉冲个数控制步进电机的转动角度。单片机通过两条控制线控制步进电机驱动器，一条线是把步进脉冲传输到分配器中，另一条线是传输转向控制信号。当脉冲分配器接收到信号时，就可以驱动步进电机运行。当单片机发出固定的周期脉冲时，步进电机就以固定的转速运行；当发送的周期脉冲递增或递减时，步进电机就会减速或加速运行；如果单片机停止发送脉冲信号，步进电机也将停止转动。两线控制占用的端口较少，因此系统的硬件连接方便，控制简单。单片机系统利用脉冲分配器，通过控制输出脉冲信号就可以进行正转、反转和启停控制。脉冲分配由脉冲分配器自行完成，可有效减轻单片机的运算量。

3 系统软件设计

系统在刚上电时是处于初始化状态，进行按键输入进入运行自动模式。系统的整体流程图如图2 所示。当阳光照射到光伏板上时，由分布在不同位置的光敏电阻判断各自所在位置所接收到的光照强度大小，左边的光强值大，光伏板就向左边旋转；右边的光强值大，光伏板就向右边旋转；上边的光强值大，光伏板就向上翻转；下边的光强值大，光伏板就向下翻转；当四个方位的光照强度一致时，光伏板保持不动。光伏自动跟踪光伏板判别旋转方向的程序流程图如图3所示。

4 实验验证及结果分析

图2 整体流程图

图3 光伏板自动追踪程序流程图

根据上述设计搭建实验平台，对固定不动和自动跟踪两种情况的发电情况进行对比，固定式系统的安装角度为正南边45°倾角。记录一天内的光伏电池板输出电压比较数据如表4 所示。固定式的光伏板最大输出电压为5.48V。自动跟踪式的光伏板最大输出电压为5.66V。输出电压曲线对比如图4 所示。

表1 固定式与跟踪式输出电压数据对比

图4 输出电压曲线对比

分析实验结果可知，固定式系统在统计区间输出电压的平方和为141，固定式系统在统计区间输出电压的平方和为185，由于输出功率正比于输出电压的平方，简单计算可得出结论：自动跟踪系统提高了31.4%输出功率，它表明光伏自动跟踪式系统能够接收更多的阳光，因此与固定式光伏发电系统相比，产生更多的电力。

5 结论

设计的光伏自动跟踪系统在太阳位置变动的情况下，利用光敏电阻检测光伏板上下左右四个方向的光强度值，单片机通过比较输入的光强值生成信号驱动伺服机构，然后控制步进电机工作，使光伏板转动到与光强度值最大的方向垂直，以此来保证电池板尽可能多的吸收太阳辐射，最大程度上提高太阳能的利用效率。跟踪系统采用闭环控制系统，能够实现自适应调节和太阳位置的及时反馈，而且它的结构简单，具有良好的追踪精度及较高的灵敏度。

设计的光伏自动跟踪系统结合在光伏发电系统可应用于民用建筑上作为居民用电的补充，特别是非关键性设备和小功率电器，有效地提高了太阳能光伏发电效率，具有很好的推广价值。