摘 要： 針對(duì)當(dāng)前太陽(yáng)能路燈轉(zhuǎn)換效率低的弊端，介紹了一種太陽(yáng)能路燈雙軸跟蹤系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光強(qiáng)的變化驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，保證太陽(yáng)能電池板始終垂直于太陽(yáng)光線，從而提高太陽(yáng)能利用效率。實(shí)驗(yàn)表明，太陽(yáng)能電池板在雙軸跟蹤情況下，發(fā)電量要比最佳角度固定安裝提高34%。
關(guān)鍵詞： AVR單片機(jī)；太陽(yáng)能路燈；雙軸跟蹤；光伏發(fā)電；藍(lán)牙
隨著科技日新月異的發(fā)展，太陽(yáng)能產(chǎn)品層出不窮，太陽(yáng)能路燈應(yīng)運(yùn)而生并得以飛速發(fā)展。太陽(yáng)能路燈的供電方式主要有兩種：一種是太陽(yáng)能市電互補(bǔ)方式，另外一種是純太陽(yáng)能供電方式。前者除了需要挖溝渠，鋪設(shè)電纜等大量的繁瑣基礎(chǔ)工程，還要長(zhǎng)期不斷地對(duì)線路和其他配置進(jìn)行維護(hù)和更新，成本較高。但因其以市電作為儲(chǔ)備能源，所以對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電量要求不高。后者不需要鋪設(shè)電纜，無(wú)儲(chǔ)備能源，成本低。為了使路燈正常工作，需要保證太陽(yáng)能電池板的功率足夠高，以產(chǎn)生充足的電量。而由于發(fā)電效率不高的問(wèn)題，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)蓄電池電量低，無(wú)充足電量供予路燈照明的現(xiàn)象，其可靠性大大不如市電互補(bǔ)方式。為了提高其工作可靠性，本文提出一種太陽(yáng)能路燈雙軸跟蹤系統(tǒng)。此系統(tǒng)通過(guò)在東西、南北兩個(gè)方向?qū)崟r(shí)跟蹤太陽(yáng)，達(dá)到提高太陽(yáng)能利用效率和增加發(fā)電量的目的，以提高純太陽(yáng)能式供電的可靠性。
1 系統(tǒng)概述
太陽(yáng)能路燈雙軸跟蹤系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、太陽(yáng)能充放電控制器、12 V鉛酸蓄電池、電機(jī)、太陽(yáng)能電池板、跟蹤支架以及路燈等組成。其中控制系統(tǒng)主要包括供電電路、單片機(jī)及外圍電路、光電檢測(cè)電路、掉電檢測(cè)電路、位置反饋電路、藍(lán)牙無(wú)線傳輸電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。太陽(yáng)能雙軸跟蹤裝置的原理框圖如圖1所示。
核心的控制單元采用了ATMEL公司的ATmage16，ATmage16擁有16 KB的系統(tǒng)內(nèi)可編Flash，512 B EEPROM，1 KB SRAM，32個(gè)通用I/O口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，功能齊全且強(qiáng)大。
當(dāng)太陽(yáng)從東方升起且達(dá)到一定光照強(qiáng)度時(shí)，系統(tǒng)開始識(shí)別太陽(yáng)的方位，并調(diào)整相應(yīng)的角度，開始進(jìn)行一天的跟蹤。傍晚，當(dāng)太陽(yáng)光線弱到一定程度時(shí)，停止跟蹤。為了避免晚上因?yàn)槠渌麩艄獾挠绊憣?dǎo)致系統(tǒng)電機(jī)的誤動(dòng)作，在停止跟蹤后，系統(tǒng)將休眠10個(gè)小時(shí)，此期間，光電檢測(cè)模塊停止工作，電機(jī)不動(dòng)作。直到10小時(shí)過(guò)后，單片機(jī)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)回到最東邊，光電檢測(cè)模塊也重新開始檢測(cè)太陽(yáng)光線，開始新的一天的工作。太陽(yáng)能充放電控制器可以有效地控制蓄電池的充放電，防止蓄電池因過(guò)充或過(guò)放等不正常使用而降低壽命。本系統(tǒng)以經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、實(shí)用為核心設(shè)計(jì)思想，除了能夠在東西、南北兩個(gè)方向上同時(shí)跟蹤太陽(yáng)，還能實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)功能：
（1）位置反饋功能。使系統(tǒng)能夠辨別自己所處的跟蹤方位。
（2）藍(lán)牙通信功能。維修人員可以通過(guò)手機(jī)客戶端實(shí)現(xiàn)雙軸跟蹤系統(tǒng)的控制、參數(shù)設(shè)定和系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)。
（3）掉電檢測(cè)功能。使系統(tǒng)在檢測(cè)到蓄電池低電量時(shí)停止跟蹤，以防止蓄電池的過(guò)放。系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)蓄電池電量，當(dāng)蓄電池電量不足時(shí)，控制模塊將驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使太陽(yáng)能電池板置于最佳安裝角度，并停止跟蹤。蓄電池并不會(huì)因此停止對(duì)控制系統(tǒng)的供電。
（4）抗風(fēng)性設(shè)計(jì)。當(dāng)遇到狂風(fēng)或是暴風(fēng)雨天氣時(shí)，控制系統(tǒng)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將太陽(yáng)能電池板放平，使之所受外力最小。
2 機(jī)械結(jié)構(gòu)
圖2是太陽(yáng)能路燈雙軸跟蹤機(jī)械結(jié)構(gòu)部分，電動(dòng)機(jī)3為渦輪減速電機(jī)，安裝在上部平臺(tái)4上，與平臺(tái)固定。電機(jī)輸出軸通過(guò)鍵與小齒輪9連接，大齒輪3與安裝軸6通過(guò)鍵連接，安裝軸6與下部平臺(tái)10固定在一起，下部平臺(tái)通過(guò)兩個(gè)抱箍固定在電線桿11上。當(dāng)給電機(jī)上電時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，小齒輪為一行星輪，圍繞大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)上部平臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到在東西方向跟蹤太陽(yáng)方位角α的目的。電池板支架5與上部平臺(tái)4通過(guò)銷軸鉸接，直線電機(jī)1的下端與直線電機(jī)支架2鉸接，上端與電池板安裝支架鉸接。當(dāng)直線電機(jī)通電時(shí)，電機(jī)軸伸長(zhǎng)或者壓縮，使電池板支架往下或者往上翻轉(zhuǎn)，達(dá)到在南北方向跟蹤太陽(yáng)高度角β的目的。
3 系統(tǒng)功能單元設(shè)計(jì)
3.1 光線的檢測(cè)及處理
光線檢測(cè)部分用于判斷太陽(yáng)的方位，由四個(gè)光敏電阻和一個(gè)遮光板構(gòu)成，如圖3所示。
四個(gè)光敏電阻分別位于電路板的東西南北四個(gè)位置，電路板與太陽(yáng)能電池板平行。當(dāng)陽(yáng)光與太陽(yáng)能電池板不垂直時(shí)，由于遮光板的作用，四個(gè)光敏電阻所接收的陽(yáng)光都不一樣，從而電阻值也不一樣，通過(guò)ATmage16對(duì)四個(gè)光敏電阻電壓值的采集、A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行比較，從而判斷出太陽(yáng)的方位并進(jìn)行跟蹤。在程序中，定義了move_distense、stop_distense、sun_level[4]等全局變量，sun_level[4]為在四個(gè)方向A/D轉(zhuǎn)換后的電壓值。當(dāng)同一方向經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的兩電壓值差值大于move_distense時(shí)，電機(jī)開始動(dòng)作，直到兩差值與stop_distense相等才停止跟蹤。以東西方向的控制為例，其軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖4所示。
通過(guò)調(diào)整move_distense、stop_distense兩個(gè)全局變量的大小，即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)跟蹤精度的調(diào)整，用戶可以根據(jù)自己的需求和當(dāng)?shù)氐奶鞖鉅顩r設(shè)置相應(yīng)的比較碼值，以達(dá)到靈活調(diào)整跟蹤精度目的。
采用繼電器作為開關(guān)進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。由于ATmage16 I/O口的驅(qū)動(dòng)電流不足以驅(qū)動(dòng)繼電器，在此，采用三極管增加其驅(qū)動(dòng)能力。通過(guò)控制圖中兩個(gè)繼電器的動(dòng)作來(lái)控制輸出電壓，進(jìn)而控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。
3.2 掉電檢測(cè)電路
掉電檢測(cè)電路的功能是防止在蓄電池低電量時(shí)，控制系統(tǒng)依然控制電機(jī)跟蹤太陽(yáng)而消耗蓄電池電量。以上情況會(huì)導(dǎo)致以下兩種結(jié)果：（1）蓄電池工作在終止電壓以下；（2）控制系統(tǒng)斷電。以上兩種情況都是不允許出現(xiàn)的。所以，在蓄電池低電量時(shí)，必須停止跟蹤，以防因跟蹤消耗過(guò)多蓄電池殘余電量。
在太陽(yáng)能充放電控制器上要求的過(guò)放電壓為11 V，因此設(shè)計(jì)時(shí)使過(guò)放電壓稍微高于11 V。采用5.1 k?贅和2.4 k電阻進(jìn)行分壓，3.6 V×（5.1 k+2.4 k）/2.4 贅=11.25 V。因此，當(dāng)蓄電池電量低于11.25 V時(shí)，與單片機(jī)PC3口相連的POWCHEK腳將檢測(cè)到高電平。檢測(cè)電路如圖6所示。
3.3 位置反饋電路
在蓄電池掉電時(shí)，電池板需要被調(diào)整在最佳安裝角度上，并停止跟蹤。為了能實(shí)現(xiàn)較準(zhǔn)確調(diào)整到理想的角度，在東西方向和南北方向各采用一個(gè)NPN常開型接近開關(guān)，使機(jī)構(gòu)在東西南北方向各有一個(gè)位置原點(diǎn)。在程序中，以位置原點(diǎn)為系統(tǒng)的計(jì)數(shù)起點(diǎn)，因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速一定，通過(guò)對(duì)電機(jī)運(yùn)行時(shí)間控制即可達(dá)到對(duì)角度控制的目的。
采用風(fēng)速傳感器，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)將控制太陽(yáng)能電池板朝著水平方向運(yùn)動(dòng)，直到檢測(cè)到接近開關(guān)的接近信號(hào)，則停止動(dòng)作。太陽(yáng)能電池板水平放置時(shí)，機(jī)構(gòu)所受外力最小，能把外界的損害降至最低。其風(fēng)力上限值可由用戶設(shè)置。
為了消除系統(tǒng)每天的累計(jì)誤差，在跟蹤到最西邊返回時(shí)，都需要使太陽(yáng)能電池板回到位置原點(diǎn)，之后再調(diào)整到合適的角度以便新的一天的跟蹤。接近開關(guān)的電信號(hào)采用512-2Z進(jìn)行光電隔離，如圖7所示。
3.4 藍(lán)牙模塊無(wú)線傳輸電路
系統(tǒng)通過(guò)藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)與外界的通信，操作簡(jiǎn)單方便。用戶可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)（如跟蹤精度、最佳角度、風(fēng)力上限值等參數(shù)），同時(shí)也可以發(fā)送指令，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，以查看跟蹤系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)跟蹤故障時(shí)，比如說(shuō)太陽(yáng)能電池板由于某種原因卡在某個(gè)位置不能動(dòng)彈，控制系統(tǒng)將通過(guò)藍(lán)牙將故障信息發(fā)送至手機(jī)藍(lán)牙。
藍(lán)牙模塊部分采用CSR主流藍(lán)牙芯片，藍(lán)牙V2.0協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，可以實(shí)現(xiàn)空曠地10 m范圍內(nèi)穩(wěn)定可靠通信。可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送代碼來(lái)修改藍(lán)牙名稱和配對(duì)密碼，注意密碼不宜過(guò)于簡(jiǎn)潔，以防他人惡意操作。藍(lán)牙模塊與單片機(jī)通信接口很簡(jiǎn)單，無(wú)需電平轉(zhuǎn)換，有D5V、DGND、TXD和TXD四個(gè)連接點(diǎn)。其中，TXD和RXD口分別與單片機(jī)的數(shù)據(jù)收發(fā)引腳相連。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
為了求證此雙軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電效率與普通固定式安裝的區(qū)別，做了如下實(shí)驗(yàn)。
提前用太陽(yáng)能充放電控制器將蓄電池的電量放完。早上七點(diǎn)，將兩塊性能一樣的20 W太陽(yáng)能電池板分別以固定式安裝和雙軸跟蹤式安裝放置在空曠場(chǎng)地，并分別與各自蓄電池相連，給蓄電池充電。晚上，用2個(gè)6 W燈泡通過(guò)太陽(yáng)能充放電控制器對(duì)蓄電池放電，直到放電結(jié)束，并記錄放電時(shí)間。表1是連續(xù)幾天的采集信息。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到，此雙軸跟蹤方式比固定式安裝的發(fā)電量提高了34.3%。也進(jìn)一步證明了利用跟蹤方式可以大幅度提高發(fā)電效率。
太陽(yáng)能路燈雙軸跟蹤系統(tǒng)具有不敷設(shè)電纜、安裝簡(jiǎn)便、工作穩(wěn)定可靠、成本低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，主要適用于城市道路、小區(qū)廣場(chǎng)、旅游景區(qū)、工業(yè)園區(qū)、農(nóng)村道路等場(chǎng)所的亮化照明。經(jīng)過(guò)后期大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此系統(tǒng)在各種環(huán)境下皆能正常工作，抗干擾性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠的跟蹤，對(duì)于提高太陽(yáng)能利用率有重要的意義。因其對(duì)太陽(yáng)能利用率的提高，一方面可以節(jié)省昂貴的太陽(yáng)能電池板，以減少光伏發(fā)電成本；另一方面可以提高純太陽(yáng)能發(fā)電式路燈的工作可靠性。此跟蹤系統(tǒng)可以應(yīng)用在多種照明場(chǎng)合，有一定的市場(chǎng)價(jià)值，可行性高。
參考文獻(xiàn)
[1] 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版)[M]..北京：高等教育出版社，2006.
[2] 何立民.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)選編（3）[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.