1 设计研究背景及意义

在能源消耗量越来越大，传统能源日益枯竭的今天，人类对于新能源的渴求变得越来越强烈。寻找一种可再生并且环保的新能源来满足社会经济发展的需要成为世界范围关注的核心问题。

太阳能受到了世界各国广泛重视的主要原因为太阳能是一种新型的清洁能源，并且取之不尽用之不竭。当今世界位于“阳光地带”的国家人口数量占世界总人口数量的75%，这些人口拥有全球40%的电力需求。此外，预计在将来的20年时间里，全球大约80%的电力能源需求将来源于“阳光地带”地区。因此这些地区和国际的光伏能源具有得天独厚的竞争潜力。欧洲光伏协会(EPIA)预计太阳能将在2020年前成为世界范围的主流能源，并在2030年前成为主要的电力来源[1]。由此可见，光伏产业在未来拥有非常广阔的应用前景。因此，太阳能的利用对于满足人们对于能源的需求，保持世界经济的增长具有至关重要的作用，研究和利用光伏能源具有十分重要的意义[1]。 2 主要研究内容 2.1 系统的设计目标

根据目前太阳能技术发展特点以及国内外光伏发电系统的发展状况，针对现阶段太阳能光伏发电系统普遍存在的效率偏低的现实。本文研究并设计了双轴独立自动太阳跟踪控制系统。具体的设计思路如下:

（1）双轴:系统采用两个步进电机来控制太阳能电池水平方向和竖直方向的移动。

(2)独立:系统不需要外部电源提供能源，其工作所需的能源完全来自于自身太阳能电池发电和蓄电池的储能。

(3)自动跟踪:系统的运行过程是自动化的，利用视日跟踪方式和光电跟踪相互自动转化实现对太阳的跟踪工作。 2.2 设计的主要内容

本文所研究的太阳能自动追踪装置是由单片机为控制核心的自动控制控制系统，整个装置是通过软件控制系统控制硬件结构部分完成的。但本文主要涉及

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的内容是控制部分，所以在这里主要讲系统的硬件和软件两部分。

(1)系统的硬件部分主要包括芯片以及各种电子元器件、电路图的连接。电路主要包含以下几部分：

1)太阳能充电控制器的设计：这部分内容主要就是为了合理的给蓄电池充电，保证蓄电池的使用寿命。

2)光电检测电路的设计：这部分内容主要作用就是通过光电二极管来判别太阳的方位。

3)系统检测电路的设计：单片机通过接受光电检测电路发出的电信号控制电机转动，达到跟踪太阳的目的。

4)辅助电路设计：复位电路。

(2)软件部分程序的编写：在硬件电路的基础上用C51单片机语言编写配套软件，对软硬件联合调试，直到系统稳定运行。 3 系统的总体设计

3.1 太阳自动跟踪方式的确定

目前，太阳的跟踪方式有很多，但主要还是光电检测跟踪方法和视日跟踪方法。光电跟踪易受天气条件影响，而长时间使用视日跟踪系统会产生误差，所以经过分析两种跟踪方式的优缺点，决定采用两种跟踪方式结合。

一般的工作过程是，开机后，检测系统检测当时是在白天或晚上，这是由一个光电检测电路检测，当系统检测到夜间，然后系统停止运行；如果系统检测到的是白天，那么系统首先按照光电检测追踪方式进行对太阳的跟踪，当遇到阴天时，系统会自动转到视日追踪模式下，当天气转晴时，系统又会自动转到光电追踪模式下进行追踪。这样，将两者结合起来，并对两者的跟踪方法进行了补充，使系统更加稳定，提高了系统跟踪的精度。 3.2 本设计的设计思想

（1）系统选用AT89C51单片机作为控制电路的核心。

（2）利用光电二极管作为传感器的检测装置，每两光电二极管组成的比较电路，光电二极管导通和停止产生相位差，通过放大器将发出一个信号给单片机的I/O，用来控制电机的运行。

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（3）利用由光电二极管组成的比较电路来判断是白天还是黑夜，若是黑夜就系统停止运行，进入等待状态，若是白天则程序继续运行。

(4)利用光电二极管来判断晴天还是阴天，晴天系统采用光电检测追踪模式，如果天气情况发生变化系统则采用视日追踪模式。

(5)时钟采用的是单片机控制。

（6软件部分用c语言编写程序。如图3-1所示是系统的整体框图：

图3-1 系统整体框图

4 太阳能充电控制器的设计

蓄电池存储太阳能电池发出的电能是保证系统在不同的天气条件下长时间正常运转的关键。因此，本系统首先设计可以为蓄电池充电的中间控制部分电路。即在太阳能电池与蓄电池中间加入一个充电控制器。充电控制器选用智能电池充电控制芯片，该芯片可以自动检测电池的端子电压和电流，根据电池的输出电压和电流值，选择不同的充电模式。这样可以保护蓄电池，有效延长蓄电池的使用寿命。

4.1 太阳能电池的选型

太阳能电池是通过光电效应直接把光能转化成电能的装置，在本系统设计中太阳能电池为整体系统的运转提供能量。普通的太阳能电池在一定的条件下可以等效为一个电流源模型[2]。太阳能电池的内部等效电路如图4-1所示:

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图4-1 太阳内部等效电路图

从太阳内部的等效电路图可以得出：

I?Iph?Id?Ish （4.1）

又有以下公式成立：

Idq?V?IRs??Io{exp[]?1}AKH （4.2）

Ish?V?IRsRsh （4.3）

综合（4.1）（4.2）（4.3）可得出：

q?V?IRs?V?IRsI?Iph?Io{exp[]?1}?AKTRsh

（4.4）

太阳能电池的效率通常为太阳能电池的输出功率与照射到太阳能电池表面的光能量功率Ps之比[3]，即如式4.5所示:

μ?μMPP?

PPMS?VMP.IMS

(4.5)

其中μ

MPP

是指最大功率点的太阳能电池效率，即当调节负载电阻RL时，当

RL的阻值与太阳能电池的内阻阻值相等时，此时对应的VM*IM为最大值，这一个负载电阻RL值所对应的M点称为太阳能电池的最大功率点MPP(Maximum Power Point)。此时所对应的电流IM为最大功率点电流，电压VM为最大功率点电压，PM为太阳能电池的最大输出功率。

本系统选择太阳能电池的体积是450*540*25。型号为SM-30P的30W的太

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阳能电池。该款太阳能电池的具体技术参数如表4-2所示：

表4-2 SM-30P型太阳能电池技术参数

规格型号

功率

最大电压 最大电流 开路电压 短路电流

尺寸

最大系统电压

SM-30P

30W

18V

1.66A

23.0V

1.70A

450*540*25

1000V

光照强度与太阳能电池的输出功率成正比关系，即光照强度越强，则太阳能电池的输出功率越大。 4.2 蓄电池的选型

4.2.1 铅酸蓄电池基本概念

蓄电池就是把电能转化为化学能来进行存储，在应用的时候再把化学能转化成电能释放出来的装置。铅酸蓄电池的电极主要由铅和铅的氧化物构成，电解液主要为硫酸溶液。普通铅酸蓄电池的结构主要由正负电极板、隔板、壳体、电解液和接线桩头等部分组成[4]。普通蓄电池的内部结构如图4-3所示:

图4-3 蓄电池的结构

蓄电池放电时的化学反应式：

?2??PbO?4H?SO?2e?PbSO244?2H2O （4.6） 正极反应式： 2??4?2e （4.7） 负极反应式：Pb?SO4?PbSO

铅酸蓄电池按电压等级可以分为2.4V, 4V, 6V, 8V, 12V, 24V等系列，容量从

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