张红
中山职业技术学院 广东省 中山市 528400
摘 要：太阳能是一种可再生能源，我们将这些太阳能收集起来进行再开发利用，对提升我们的生活质量有着重要意义。当前太阳能板有众多弊端，比如不能随太阳能移动或转动、存储能力也明显不足。为了避免上述不足，特此设计了一种追光式太阳能充电系统，改系统主要涉及光电转换、电流与电压监测、电机控制、充放电保护等技术及其应用。本作品是一种基于51单片机的太阳能自动追光控制系统，通过球面太阳能传感器定位太阳光强最大的方向，通过51单片机对太阳能电池板位置进行精确控制，实现了太阳能电池板效率的充分利用。
关键字：太阳能；自动逐日；充分利用；三阶充电
1系统方案
能源危机已经成为当今全世界共同关注的问题，新能源的开发和应用是解决这一问题的关键所在。太阳能是清洁、环保的自然能源，它源源不断地输送到地球的每个角落，是每家每户都能得到免费能源。在国内，目前家用太阳能发电产品得不到普及，主要有两个原因，即体积大和效率低。旨在设计和开发一款体积小、成本低、效率高，并适用于家庭的高效太阳能发电设备。
主要由太阳能采集装置、蓄电池、逆变器、切换装置和控制器组成，系统组成和能量与信号的传递关系如图1所示。太阳能采集装置采用2台直流电机，驱动电池板沿水平和垂直方向转动，在光感传感器的检测和控制器的控制下，实现实时准确全方位追日，最大限度采集太阳能。控制器实时检测蓄电池的电压，并控制切换装置动作，实现电网供电和太阳能供电两种方式的自动切换。逆变器采用TL494芯片输出PWM信号，控制4个MOS管的通断。系统还具有液晶显示屏，实时显示太阳能供电电压、功率等信息。
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图1 系统组成框图
2功能与指标
2.1功能
2.1.1实时准确全方位追日设计
本作品采用5块片式单晶硅片作为光传感器检测太阳的位置，其中4块置于水平方向，1块垂直方向。在驱动电池板转动的过程中，首先对水平方向的四个方位进行光度的检测，检测到其中一个方位为太阳光最强的方向以后，然后检测垂直方向的传感器再对垂直方向的光度进行检测比较来确定光的强度。
2.1.2逆变器设计制作
本逆变器使用两个TL494芯片，一个是将蓄电池的12V电源升压到300V的直流电，另外一个芯片是控制4个mos管产生50HZ的交流电做输出。
2.1.3供电自动切换功能
电网供电端和太阳能供电端均通过切换装置中相应的接触器与用电负载相连，利用单片机对蓄电池进行实时检测，控制继电器线圈的得电和失电，从而实现两种供电方式的自动切换功能。
2.2指标
2.2.1追踪准确率
正常情况下，通过球面太阳能传感器追踪的准确率达到90%以上。
2.2.2追踪后发电效率
一般采用跟踪系统可提高发电量20％-35％。
3实现原理
3.1自动追光原理
太阳的位置由太阳的方位角、入射角和所在地的纬度决定，系统由球面上分块编号的灵敏度较高的传感器将太阳的光信号转换成电信号，送到A/D转换器上转换成数字信号，经过单片机进行分析比较，然后驱动直流电机，改变旋转方向从而带动太阳光和太阳能电池板为垂直关系，大大提升采集的太阳光。
3.2 蓄电池充电原理
蓄充电顺序有预充电阶段、恒压大电流充电阶段及涓流充电阶段三个阶段。如果电池电量低，输出的电压也就会比较低，进入到预充电阶段。为了避免这种事情发生，我们作品选用12V蓄电池。可以直接进行充电操作，最大的充电电流由蓄电池本身的额定电流决定。而在此项目里面，12V电池在检测出大于10V后，便改为以14.4V的恒压大电流充电，此为第二阶段充电。当MCU检测到电池电流低于0.2A时，MCU改变其充电方式，改为13.6V的涓流充电方式以达到维护电池的功效。
3.3 蓄电池供电与市电供电的切换
系统中采用的输出供电方式有两种，一种是蓄电池通过逆变器供到用户的用电器上，另外一种是直接市电供电。当控制器检测到蓄电器的电压低于10V以下，控制器将通过继电器切换到市电来供给用电器工作。
3.4系统硬件
3.4.1 充电部分
充电部分是本系统另一个重要部分，通过MCU 的P1.4脚输出一定占空比的PWM控制信号，以驱动三极管和MOSFET管，从而调整电池板对蓄电池的充电电压值。
3.4.2 逆变器（12V DC — 220V AC）
蓄电池电压分两路，一个前级IC供电产生一个KHZ级的控制信号；一路到前级功率管，由控制信号推动功率管不断开关使高频变压器初级产生低压的高频交流电。（此时的交流电虽然电压低，但是频率相当高，目的就是为了能让变压器后级产生一个高的电压，前级的频率和后级输出的电压成正比，当然也要在功率管所能承受的频率范围。） 通过高频变压器输出高频交流电再经过快速恢复二极管全桥整流输出一个高频的几百V直流电到后级功率管，然后再由后级IC产生50HZ左右的控制信号来控制后级的功率管工作然后输出220V 50HZ的交流电。
3.4.3 单片机最小系统
采用51系列的STC12C5A60S2作为控制核心。
3.4.4 电流放大电路
为方便以及精准地测出电流的大小，本电路可以把通过ACS712芯片检测出来的数据放大10倍，再让单片机检测。
3.4.5 H桥
H桥是本系统中较为重要的一部分，通过对H桥的两端MOSFET管IRF9540的通断控制实现直流电机的正转以及反转，以调整太阳能板的逐日方向。H360为360度旋转的电机的控制模块，而H180则为左右180度旋转的电机的控制模块。此处分两电机运作，需要有两个H桥模块。
3.4.6 12864液晶屏
为了使操作更清楚，简便以及便于调试，同时为了节约单片机的I/O资源，系统采用带字库的、具有串行接口的LCD12864作为显示。
3.4.7 继电器通断控制
通过MCU控制继电器K1、K2的通断，从而达到控制12V逆变成220V的时间以及介入时点的时间其继电器K1，K2。其中K1常闭接逆变器后接K3常闭，K2常开接K3线圈。
3.5 硬件连接顺序
球面太阳能传感器→STC12C5A60S2芯片（逐日部分）→直流电机
通过继电器控制市电220V通断→STC12C5A60S2芯片2（充电部分）→蓄电池充电控制
3.6软件顺序
3.6.1电机控制部分
①开始→选取压值最大的传感器作基准→选取一个方向转动→压值增加（N）→反方向转动→次数小于3?（N）→结束
②开始→选取压值最大的传感器作基准→选取一个方向转动→压值增加（N）→反方向转动→次数小于3?（Y）→压值增加（N）→反方向转动→次数小于3?（N）→结束
③开始→选取压值最大的传感器作基准→选取一个方向转动→压值增加（Y）→继续往该方向转动→压值增加（Y）→次数小于3?（Y）..........→压值增加（N）→反方向转动→次数小于3?（N）→结束
3.6.2充电控制部分
①开始→大于10V？（Y）→14.4V充电→小于1.4A？（Y）→13.6V充电→结束
②开始→大于10V？（Y）→14.4V充电→小于1.4A？（N）→14.4V充电→小于1.4A？（Y）→13.6V充电→结束
③开始→大于10V？（N）→12V充电→大于10V？（Y）→小于1.4A？（Y）→13.6V充电→结束
4系统测试方案
4.1 测试设备
本系统采用的测试的主要工量具有：万用表、直流电源、12864液晶屏、示波器等。
4.2 测试数据
4.2.1 充电部分
①初充电，放入低于10V的蓄电池，作出首段充电动作，达到要求，测出电压9.2V，并输出12.5V 。
②MCU检测电压大于10V时，作出第二段充电动作，达到要求，输出15.2V。
③MCU检测电流小于1.4A时，作出第三段充电动作，达到要求，输出13.2V。
4.2.2 逐日部分
①放到太阳下5秒内作出反应，360度旋转盘转动，与太阳光直射角度差<30度，达到要求，反应时间大约3秒，<5秒。
②当360度旋转盘停止时，180度旋转盘转动，与太阳光直射角度<30度，达到要求。
③当180度停止运行的10分钟后，MCU继续将传感器的数据调出，作比较一直重复此动作。达到要求，且6次转动后均可作出正确动作。
4.3 结果分析
太阳能电池板在电力气电子技术已经比较成熟，具体较高的变换效率和可实现性。将前后两个传感器作对比后将选取基准。再对比其余两块传感器的AD值，再选取适当的位置停下来。
5结束语
我们已在理论上对本设计进行了分析，并取得了初步的结论。在涉及的核心关键技术方面，已拥有很好的技术积累，为研制开发太阳能追光系统奠定了良好的基础。本设计的思路紧扣环保且有一定的创新点，实验方案容易实现。结论是基于51单片机的逐日太阳能系统是可行的。创新点是能用直流电机进行180度或360度自动调整太阳能板，使太阳能板能够充分接收更多的太阳能光，获取最大光强。
参考文献
[1]翟若希,郜键,孟雪.一种基于反射式太阳能可充电球状追光照明系统[J].科学技术创新,2018(36):170-171.
[2]太阳能照明系统光源的选择[J]. 张楼英,周雷,孙云龙,杨金红. 现代显示. 2009(11)
[3]太阳能照明系统的研究[J]. 陈尚伍,郑晟,翟建勇,陈敏,钱照明. 照明工程学报. 2006(04)
作者简介：张红，女，1986、3，汉族，广东中山人，硕士研究生，实验师，教师，机械制造及自动化.