广东珠海北京师范大学珠海分校 罗一立 519087
摘要：本文设计了一种基于单片机控制的太阳能追光系统。系统以感光器作为太阳角度的感应平台，通过遮光柱产生投影。处理器对光敏电阻因投影而产生的阻值变化进行检测，得到太阳方位数据。根据该方位数据控制相应电磁铁盘的输入工作电流，利用同极磁性的相斥力推动升降柱杆运动，从而调整工作台的倾斜方向，使其能始终跟随阳光照射方向而变化，以此促进太阳能发电效率的提升。
关键词：光敏电阻；电磁铁；追光系统
正文：
近年来，随着社会经济的不断发展，能源行业也在发生巨大的变化。在“绿色发展”的理念下，风电、太阳能光伏发电等可再生新能源的重要性愈发体现，构建了清洁低碳、安全高效的能源体系，推动着我国能源在实现高质量发展上不断取得新进展[1]。太阳能作为一种新型清洁能源，具有资源丰富、使用成本低、无污染等特点，研究实现对太阳能的高效利用具有重要的现实意义[1-2]。目前，国内外的太阳能自动跟踪系统主要是以光强比较跟踪或单轴跟踪为追踪方法，同时以电机为驱动实现自动跟踪。其都存在结构复杂，跟踪灵活性与精度不高，不能全自动跟踪等问题。鉴于此，本文设计了一种以“日晷”工作原理为跟踪方法，单片机为核心控制器、电磁力工作柱为驱动的太阳能板智能追光系统。系统以电磁式的驱动方式代替传统的步进电机驱动，有效提升了系统驱动部分的机械效率。通过对光敏电阻合理布局形成的感光结构能够降低系统的成本、提升使用过程中的灵活性。
1.系统总体设计
系统的总体结构如图1所示，主要包括①工作台、②承重柱、③工作柱及④感光器四个部分。工作台用于安装太阳能板，在其底部中心设置承重柱，为工作台提供承重支撑和运动支点。工作台底部四边设置工作柱，通过不同工作柱的升降动作控制工作台的倾斜方向与角度。承重柱底端固定设置有底座，其顶端固定设置有半球形承重柱头。工作柱内部为中空结构，用于安装升降柱杆。升降柱杆顶端固定设置有半球形工作柱头。工作台底端面中心设置有承重凹槽，四边固定设置有工作凹槽。承重柱头和工作柱头均通过半球形凹槽与工作台活动连接。工作台外部设置有感光器，其顶端面中心固定设置有遮光柱。以遮光柱为中心设置如图所示的光敏电阻阵列。
2.工作柱驱动方案设计
工作柱由圆柱体底座、升降柱、永磁铁、螺旋铜线圈、可伸缩卡条构成，如图2所示。工作柱底部设置有圆形电磁铁盘，升降柱杆底端安装有永磁铁盘，电磁铁盘与永磁铁盘磁极呈相同设置，呈竖直共线位置安装。升降柱杆表面两侧固定设置有卡槽，工作柱顶部两侧设置有固定块。在固定块内部活动设置有卡条，该卡条与卡槽卡接。固定块内部安装小型电磁铁块，卡条与该电磁铁块相邻的一端设置有永磁铁块，此处的电磁铁块与永磁铁块呈水平共线设置。
当主控制器产生正向电流流入某一工作柱电路时，底座控制该工作柱上升，同时与之串联的控制“卡条缩动作”电路由正向导通二极管导通。当主控制器产生负向电流流入某一工作柱电路时，底座控制该工作柱下降，同时与之串联的控制“卡条缩动作”电路由反向导通二极管导通。二极管的作用为无论电流正负都能使流入卡条电路的电流为正，从而控制卡条收缩，使工作柱能顺利升降。当不需要工作柱产生升降动作时，主控制器发出信号控制“卡条伸动作”电路导通，使卡条卡入升降柱中的卡槽，从而固定该工作柱的高度。
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3. 感光器设计及太阳方位计算方法
感光器由遮光住与光敏电阻阵列组成。通过分压电路可以反映每一个光敏电阻的阻值变化。当太阳照射在遮光住上时会产生阴影。该阴影投射至光敏电阻上时将改变其阻值，通过检测不同径向光敏电阻对应的输出电压即可判断出当前日光的方位。另一方面，通过内圈或外圈光敏电阻的遮挡情况可以反映太阳的高度信息。主控制器根据检测到的日光方位信息输出控制信号，控制相应的工作柱进行升降动作，从而保证太阳能面板始终正向面对日光。
感光器调节工作柱的算法如下：以承重柱底部为原点建立空间直角坐标系。设置光敏电阻为确定的已知点G(x1,y1,0)。承重柱高度为固定的且镶嵌于工作台，因此该柱定点坐标可认为是工作面板上的一点，该点坐标已知为D(0,0,z1)。经过光敏电阻和承重柱顶点的向量为太阳光线入射的方向。因此有法向量N=GD=(-x1,-y1,z1)。根据点法式：承重柱顶点（点）和入射光线（法向量）得到平面方程：
-x1x-y1y+z1(z-z1)=0
将四个工作柱位置分别确定在在边长为2a的正方形的四个角,工作柱的高度可以假设为该面与工作柱切割的点，设四个工作柱的位置坐标分别为E(a,a,z2)、F(-a,a,z3)、G(-a,-a,z4)、H(a,-a,z5)。将其代入平面方程可解得：
z2=[(x1+y1)a+z12]/z1；z3=[(-x1+y1)a+z12]/z1；
z4=[-(x1+y1)a+z12]/z1；z5=[(x1-y1)a+z12]/z1；
以上四个值分别代表了空间坐标系第一、二、三、四象限上的工作柱高度值，将其离散为最接近的卡槽高度，即可控制工作柱的升降幅度。
4. 结语
基于提高太阳能利用率的考虑，本文设计了一种可自动追踪太阳位置的系统。在使用该系统时，将用于太阳能发电的太阳能板固定安装在工作台上。太阳光因遮光柱的遮挡会在感光器表面上产生投影，投影导致部分光敏电阻阻值改变，利用控制器对光敏电阻的阻值变化进行数据处理，得到太阳方位数据。根据太阳方位数据产生控制信号，使电磁铁盘产生磁力。
利用同极磁性的相斥力控制四个工作柱内部升降柱杆的升降状态，实现工作台的倾斜，调整工作台平面的方向朝向太阳，从而提高太阳能的采集效率。
参考文献
[1]郝明,杨庆禹,吴文凯. 折叠式太阳花自动追光系统的设计[J].自动化技术与应用,2019,38(7):154-157.
[2]张屹,胡盘,刘成恒. 基于ＧＰＳ定位的太阳能板自动追光系统设计[J].计算机测量与控制,2020,28(1):214-218.