云南省交通规划设计研究院有限公司 云南昆明 650041
摘要：本文提出一种自适应太阳能供电系统的设计原理与方法，介绍了设计的自适应太阳能供电系统的采光系统、硬件电路图及软件流程图。通过光敏传感器采集阳光角度信息，利用单片机控制太阳能采光系统追踪太阳方向，实现了高效利用太阳能的目标。该装置不仅可以给高速公路摄像机、交通信号灯等分散设备提供可靠电能，更具有低碳、环保、智能等优点。
关键词：太阳能；自适应；光敏传感器；单片机
1 引言
在 21 世纪的今天能源和环境问题已经非常突出，世界常规能源的消耗不断上升，而世界常规能源的现有储备量已日渐枯竭。经过上个世纪的发展人类社会得到了空前的进步，但同时也带了严重的环境问题，直接威胁到了人类的生存。人们为了解决这一问题开始寻找一种新型的清洁能源来代替常规能源。
太阳能作为一种新型绿色能源，广泛被应用于各个领域。目前利用太阳能的方法主要包括：光热利用、光电利用、光化学利用，其中光电利用最为广泛。如何能够高效利用太阳能，也成为目前所面临的最大问题。
自适应太阳能供电系统可以实时精确定位控保持太阳直射太阳能电池板，实现太阳能的最大利用效率的高效发电系统。本系统需要的电能课通过自身携带蓄电池提供，适用于野外供电难以到达的地方，节约供电成本。
2系统机构与功能
2.1系统结构组成
整个系统由检测部分、控制部分、机械传动部分、采光储能部分四大部分组成。
检测部分由四个光敏传感器组成。控制部分由单片机实现。机械传动部分由双相位电机、齿轮及相应联动轴组成。采光储能部分由太阳能电池板及蓄电池组构成。
2.2 系统功能
检测部分的传感器安装在保护壳内，传感器通过保护壳四周的小孔采集光强，保证每个传感器数据来自不同角度，相互独立。控制部分通过读取传感器的数据，进行计算，控制机械传动部分。机械传动部分调整太阳能电池板达到最佳角度，如图1。
.png)
图1. 系统功能
3 设计与实现
本设计主要是采用80C51单片机，控制两个12V直流步进电机调整太阳能电池板的角度，使太阳直射太阳能电池板可以随着太阳的移动而转动，如图2。
.png)
图2. 采光系统
3.1 系统流程图
.png)
3.2检测控制系统设计
检控系统主要由四个平贴在太阳能电池板上的光敏传感器tsl2561，并套上隔离罩（如图3所示），采集四个不同方向的阳光强度数据，通过LCD1286液晶屏显示。为了防止系统频繁抖动，设置电机30s为一个调整周期。计算式采用多次测量平均值，降低误差，如公式3-1。
.png)
用80C51单片机首先对水平方向的两个数据进行比较：la-Lb<k(阈值)，如果水平方向两个光敏传感器差值大于阈值，通过调整水平方电机向阳光强度小的方向转动，直到两个传个器的阳光强度数值差小于阈值；垂直方向控制方法相同。
.png)
图3. 传感器保护壳
3.3机械传动系统设计
机械传动系统采用齿轮传动。电机的小齿轮带动太阳能电池板上固定的大齿轮，大小齿轮直径比例为1：10，如图4所示。直流步进电机的最小转动角度为1.8度，通过此齿轮传动系统将转动精度提高10倍，达到0.18度，提高了定位精度。
.png)
图4. 机械传动系统示意图
3.4电能储蓄系统
电能储蓄系统由西电池组组成。白天天阳能电池板将电能存储到蓄电池组，可以为设备提供设备全天所需要的电能。系统结构如图5。
.png)
图5. 电能储蓄系统图
3.5电路系统设计
.png)
4实验数据
太阳能电池板的能量转换效率与光照强度、光照时间、接触面积及电池板本身都有关系，见公式4-1。 （4-1）
其中：L表示光照强度；
T表示每日光照时间；
S表示天阳能电池板面积；
表示太阳能转换系数；
表示阳光与电池板夹角，如图6所示；
.png)
图6. 阳光与电池板夹角
与传统固定式太阳能供电系统相比，自适应太阳能供电系统通过实时调整使太阳光与太阳能电池板的夹角为直角，并且可以延长每日光照时间（从4.5小时延长到6.5小时，提高了45%）。
自适应太阳能供电系统每日储能量计算公式（5-1）:
.png)
通过实验测定数据对比传统固定式太阳能供电系统相比与自适应太阳能供电系统工作效率，如表5-3。
表格 1不同时间段能量转换效率比较（w/m2）
5结束语
本文设计了一种基于单片机控制的自适应太阳能供电系统装置，具有以下特点：
1）具有结构接单，运行可靠，安装方便成本低廉等特点，便于推广应用；
2）跟踪精度达到0.2度以内，可以高效率利用太阳能；
3）系统具有自启动、复位功能，不用人工干预，可以野外独立工作；
4）通过实验，自适应太阳能供电系统比固定式太阳能电池板，效率可以提高30%以上；
参考文献：
[1]MENG Xiangping GAO Yan. Electric systems analysis[M]. Beijing: Higher Education Press, 2004.3-21.
[2]Li Yu, Liu Jingsen, Mechanism and Improvement of Direct Anonymous Attestation Scheme[J], Journal of Henan University, 2007, 37(2), P195-197 (Ch).
李煜，刘景森，直接匿名证言方案的实现机制与改进思路[J]，河南大学学报，2007, 37(2)，P195-197.
[3]胡其颖.太阳能热发电技术的进展 [J]，能源技术，2005（10）；201-207
[4]刘四洋.太阳自动跟踪控制技术的研究 [D] .北京；中国科学院，2007
[5]梅开乡.太阳强光自动跟踪装置的设计 [J] . 北京：科学出版社，2006