1、向日葵追光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)李宗濤 王清（山東菏澤學(xué)院機(jī)電工程系，山東菏澤 274015）摘要：向日葵追光系統(tǒng)是提高太陽能電池板、太陽能熱水器、太陽灶等對(duì)太陽光能利用率的裝置。向日葵追光系統(tǒng)由控制模塊、檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊、儲(chǔ)能模塊四部分組成。其中檢測(cè)模塊主要是通過檢測(cè)光敏電阻是否處在遮蔽物的陰影下來給單片機(jī)傳遞信號(hào)；控制模塊通過單片機(jī)自動(dòng)控制與其他三個(gè)模塊協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)裝置的追光功能。關(guān)鍵詞：向日葵追光；檢測(cè)模塊；單片機(jī)自動(dòng)控制 Design of the Sunflower Spotlight SystemLi Zong-tao Wang Qing(Department of electromech

2、anical engineering, Heze University, Heze Shandong 274015, China)Abstract: Sunflower spotlight systems to improve the solar panels, solar water heater, ovens, etc. On the sun light energy utilization device. Sunflower spotlight system is a control module, inspection module, executive module, energy

3、storage module four parts. Including inspection module mainly through testing photoconductive resistance is a shade of shadow down to microcontroller relay signals, Control module by microcontroller automatic control and three other modules synergy, realize the spotlight device functionality. Key wo

4、rds: Sunflower spotlight,Inspection module, Single-chip microcomputer automatic control1 引言能源短缺是當(dāng)今社會(huì)面臨的一大嚴(yán)峻問題。根據(jù)目前國(guó)際上通行的能源預(yù)測(cè)，石油資源將在40年內(nèi)枯竭，天然氣資源將在60年內(nèi)用光，煤炭資源也只能使用220年。于是，充分利用現(xiàn)有資源和開發(fā)新能源成為解決能源問題的關(guān)鍵，而太陽能的開發(fā)利用日益受到人們的關(guān)注。但是，目前的太陽能電池板的放置位置都是固定不變的，而一天當(dāng)中太陽與太陽能電池板的相對(duì)位置是時(shí)刻變化的，這也就無法保證太陽能電池板時(shí)刻受到陽光直射，從而使太陽光能的利用率大大

5、降低。為了提高太陽能的利用率，我們做了向日葵追光系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,向日葵追光式太陽能比固定式太陽能提高30%的發(fā)電量1。向日葵追光系統(tǒng)是以51單片機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，工作時(shí)自動(dòng)使太陽能電池板一直保持陽光直射狀態(tài)，最大限度的利用太陽光能，并且工作可靠穩(wěn)定，無噪聲，占用空間小，可以廣泛應(yīng)用于太陽能發(fā)電站、太陽能路燈以及所有固定式太陽能電池板中。同時(shí)，還可以將本系統(tǒng)應(yīng)用到太陽能熱水器、太陽能灶等所有應(yīng)用太陽能的地方。2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)2.1 總體結(jié)構(gòu)向日葵追光系統(tǒng)是由控制模塊、檢測(cè)模塊、執(zhí)行模塊、儲(chǔ)能模塊四個(gè)部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。 升壓電路、充電電路 蓄 電 池 負(fù) 載 太陽能電池板 控 制 器 檢測(cè)

6、信號(hào) 供電 供電 步進(jìn)電機(jī) 圖1. 向日葵追光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖控制模塊是通過STC89C52單片機(jī)自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)的，檢測(cè)模塊是由兩個(gè)光敏電阻和四個(gè)輕觸開關(guān)組成的檢測(cè)電路完成的，執(zhí)行模塊是由兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和太陽能電池板支架組成的，儲(chǔ)能模塊包括升壓電路、充電電路。 2.2 工作原理及部分電路圖 執(zhí)行模塊為了使太陽能電池板能夠一直與陽光垂直，我們給電池板加了一個(gè)能夠在水平豎直方向內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)的支架。支架上裝有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，豎直方向放置的步進(jìn)電機(jī)可以帶動(dòng)太陽能電池板自東向西或者自西向東轉(zhuǎn)動(dòng)，水平方向放置的步進(jìn)電機(jī)可以帶動(dòng)太陽能電池板自上向下或者自下向上轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣就可以滿足太陽東升西落，太陽直射角早晚小、中午大的運(yùn)

7、動(dòng)規(guī)律。其實(shí)物圖如圖2所示。圖2. 太陽能電池板支架實(shí)物圖控制器接收到檢測(cè)模塊傳遞的信號(hào)后，會(huì)通過控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)使太陽能電池板一直與陽光保持垂直。兩步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路2如圖3所示。圖3. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 檢測(cè)模塊眾所周知，有陽光的地方就有影子，而且影子的方向沿著太陽光線直射的方向。根據(jù)這一原理，我們可以將影子與光敏電阻有效結(jié)合，通過光敏電阻給控制器傳遞信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)太陽能電池板的追光功能。太陽能電池板的上下兩個(gè)邊的中點(diǎn)處各裝一個(gè)光敏電阻。在上邊中點(diǎn)處的光敏電阻正前方裝一個(gè)立式條狀遮蔽物，寬度略比光敏電阻寬；在下邊中點(diǎn)處的光敏電阻的正上方裝一個(gè)條狀遮蔽物，遮蔽物的支

8、架不可在光敏電阻的正前方，遮蔽物的寬度略比光敏電阻寬。太陽能電池板上邊中點(diǎn)處的光敏電阻檢測(cè)在東西方向上太陽能電池板是否處在陽光直射的方向，而下邊中點(diǎn)處的光敏電阻檢測(cè)太陽能電池板在東西方向上處在陽光直射狀態(tài)下是否與太陽光線垂直。光敏電阻檢測(cè)電路3如圖4所示。圖4. 光敏電阻檢測(cè)電路大家都知道，太陽是東升西落的，也就是說太陽能電池板在水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)角度只有180度。于是我們?cè)谔柲茈姵匕逯Ъ艿南逻呇匮b有兩個(gè)輕觸開關(guān)，與水平方向的兩個(gè)障礙物相配合使得太陽能電池板在水平方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為180度。而太陽直射角從早晨到中午由0度到90度，從中午到晚上由90度到0度。也就是說太陽能電池板從早晨到中午要轉(zhuǎn)

9、動(dòng)90度，從中午到晚上要向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)90度。于是我們?cè)谔柲茈姵匕宓挠疫呇匮b有兩個(gè)輕觸開關(guān)，與太陽能電池板右邊沿的障礙物相配合使得太陽能電池板在豎直方向上的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為90度。輕觸開關(guān)檢測(cè)電路如圖5所示。圖5. 輕觸開關(guān)檢測(cè)電路控制模塊控制模塊以一片Atmel公司的STC89c52芯片為核心，接受檢測(cè)模塊傳遞的信號(hào)后，通過對(duì)信號(hào)處理使兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)動(dòng)作，從而保證太陽能電池板接受最大強(qiáng)度光照?？刂颇K的原理圖如圖6所示。圖5. 控制電路控制模塊對(duì)水平方向上太陽能電池板追光的控制：從早晨到晚上，當(dāng)太陽能電池板上邊中點(diǎn)處的光敏電阻接受到光照后會(huì)給單片機(jī)傳遞信號(hào)，單片機(jī)接受到信號(hào)后會(huì)使控制太陽能電池板

10、在東西方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而使太陽能電池板自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)，直到遮蔽物的陰影遮擋住光敏電阻，這時(shí)光敏電阻又會(huì)給單片機(jī)傳遞信號(hào)，單片機(jī)此時(shí)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，太陽能電池板在東西方向上就處在了最大光照強(qiáng)度之下。到了晚上，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度低于一定值之后，步進(jìn)電機(jī)就一直處在停止?fàn)顟B(tài)下，并且太陽能電池板朝向正西方。第二天早晨，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度高于一定值之后，光敏電阻給單片機(jī)傳遞信號(hào)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)繼續(xù)向西轉(zhuǎn)動(dòng)，但是轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后太陽能電池板就會(huì)觸動(dòng)水平方向上的輕觸開關(guān)，單片機(jī)接收到輕觸開關(guān)傳遞的信號(hào)后會(huì)使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)太陽能電池板自西向東轉(zhuǎn)，直到光敏電阻處在陰影下才停止轉(zhuǎn)動(dòng)；由于太陽的自

11、東向西轉(zhuǎn)又會(huì)使光敏電阻暴露在陽光下，單片機(jī)接收到信號(hào)后會(huì)使步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)向東轉(zhuǎn)直到觸動(dòng)水平方向上另一輕觸開關(guān)后才就自東向西轉(zhuǎn)，這時(shí)就又回到了上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，太陽能電池板不停地隨著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂颇K對(duì)豎直方向上太陽能電池板追光的控制：從早晨到中午，當(dāng)太陽能電池板下邊中點(diǎn)處的光敏電阻接受到光照后會(huì)給單片機(jī)傳遞信號(hào)，單片機(jī)接受到信號(hào)后會(huì)使控制太陽能電池板在豎直方向上轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)，從而使太陽能電池板自下向上轉(zhuǎn)動(dòng)，直到遮蔽物的陰影遮擋住光敏電阻，這時(shí)光敏電阻又會(huì)給單片機(jī)傳遞信號(hào)，單片機(jī)此時(shí)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣，太陽能電池板在豎直方向上就處在了最大光照強(qiáng)度之下。從中午到晚上，太陽直射角則會(huì)由大變小

12、，當(dāng)光敏電阻接收到陽光照射后，單片機(jī)會(huì)使步進(jìn)電機(jī)繼續(xù)向上轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)過一定角度后太陽能電池板就會(huì)觸動(dòng)豎直放置的輕觸開關(guān)，單片機(jī)接收到輕觸開關(guān)發(fā)出的信號(hào)后會(huì)使步進(jìn)電機(jī)向相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)太陽能電池板自上向下運(yùn)動(dòng)，直到光敏電阻處在陰影下時(shí)步進(jìn)電機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。到了晚上，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度低于一定值之后，步進(jìn)電機(jī)就一直處在停止?fàn)顟B(tài)下，并且太陽能電池板與水平面垂直。第二天早晨，當(dāng)太陽光照強(qiáng)度高于一定值之后，光敏電阻給單片機(jī)傳遞信號(hào)，這時(shí)步進(jìn)電機(jī)會(huì)繼續(xù)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，但是轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度后太陽能電池板就會(huì)觸動(dòng)豎直放置的另一輕觸開關(guān)，單片機(jī)接收到輕觸開關(guān)傳遞的信號(hào)后會(huì)使步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)太陽能電池板自下向上轉(zhuǎn)，這

13、時(shí)就又回到了上述運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，太陽能電池板不停地隨著太陽轉(zhuǎn)動(dòng)。 儲(chǔ)能模塊太陽能電池板接受到陽光照射后就將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，由于太陽能電池板的輸出電壓穩(wěn)定在7V左右，因此我們可以通過升壓電路，借助PT1301直流升壓集成塊，通過調(diào)節(jié)可調(diào)電阻R2和R3的阻值，可以將太陽能電池板較低的直流電壓轉(zhuǎn)化成較高的直流電壓。，其電路4,5如圖6所示。 圖6. 升壓電路太陽能電池板升壓后可以通過充電電路將電能儲(chǔ)存在蓄電池中，從而為本系統(tǒng)以及負(fù)載提供能量，其電路6如圖7所示。圖7. 充電電路3 結(jié)論向日葵追光系統(tǒng)是應(yīng)用在太陽能電池板、太陽能熱水器、太陽灶等處的裝置，主要的功能是提高太陽光能的利用率，以緩解當(dāng)前能源緊張的現(xiàn)狀。本系統(tǒng)中的檢測(cè)信號(hào)來源于陽光照射下遮蔽物的陰影，使本系統(tǒng)的抗干擾能力大大增強(qiáng)。同時(shí)，本系統(tǒng)應(yīng)用單片機(jī)自動(dòng)控制，工作穩(wěn)定、精確。因此，向日葵追光系統(tǒng)具有很高的推廣價(jià)值和廣闊發(fā)展前景。參考文獻(xiàn)1 王志峰. 拋物跟蹤式太陽高溫集熱器的研究J . 太陽能學(xué)報(bào)，2000(5) ，24-262 郭天祥編著.51單片機(jī)C語言教程M.北