摘要：由于太陽(yáng)位置隨時(shí)間而變化，使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池陣列受光照強(qiáng)度不穩(wěn)定，從而降低了光伏電池的效率,因此，設(shè)計(jì)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器是提高光伏發(fā)電系統(tǒng)工作效率的有效措施。本文采用單片機(jī)EM78247為控制核心，設(shè)計(jì)了一個(gè)雙軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器，配合兩臺(tái)交流伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)光伏電池陣列與陽(yáng)光照射之間的同步跟蹤。該控制器在硬件和軟件各方面采取了多項(xiàng)抗干擾措施，使其具有較好的跟蹤效果和較強(qiáng)的抗干擾能力，且運(yùn)行可靠穩(wěn)定，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；EM78247；太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤器

　　當(dāng)今社會(huì)人們的環(huán)保意識(shí)越來(lái)越強(qiáng)，光伏發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用普遍受到各國(guó)政府重視。因?yàn)樗粌H能為我們提供用之不竭的可持續(xù)再生電能，并更好地保護(hù)人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境。但其發(fā)電效率較低，發(fā)電成本相對(duì)較高仍然足制約其大規(guī)模應(yīng)用的重要因素。在沒(méi)有出現(xiàn)高效的光伏電池材料之前，研制具有實(shí)用價(jià)值的陽(yáng)光隨動(dòng)系統(tǒng)以降低成本，是促進(jìn)太陽(yáng)能廣泛應(yīng)用的主要途徑之一。據(jù)研究，雙軸系統(tǒng)可提高發(fā)電量35%左右，單軸系統(tǒng)也可提高20%左右。

　　國(guó)外在20世紀(jì)80年代就對(duì)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研究，如美國(guó)、德國(guó)在單雙軸自動(dòng)跟蹤、西班牙在2倍聚光反射跟蹤等方面開(kāi)發(fā)出了相應(yīng)的商品化自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤器[1]。我國(guó)于20世紀(jì)90年代左右也對(duì)其進(jìn)行了大量的研究，但一直沒(méi)有穩(wěn)定可靠的商品化產(chǎn)品出現(xiàn)，主要原因在于：
 
　　首先，系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性不高，無(wú)法滿(mǎn)足使用要求。由于大部分光伏電站都安裝在偏遠(yuǎn)地區(qū)，環(huán)境非常惡劣，維護(hù)困難，跟蹤系統(tǒng)增加了旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與相應(yīng)的機(jī)械機(jī)構(gòu)，可靠性明顯下降，如果不能保證整個(gè)系統(tǒng)的在各種環(huán)境下都能可靠穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)整個(gè)光伏系統(tǒng)反而是災(zāi)難性的打擊；其次，跟蹤器的控制誤差偏大。尤其對(duì)反射聚光的跟蹤器，如果跟蹤誤差偏大，不但不能提高發(fā)電效率，反而會(huì)使太陽(yáng)能電池組件的受光面積變小，產(chǎn)生熱斑等不利影響，從而降低太陽(yáng)能電池組件的使用壽命；第三是采用進(jìn)口技術(shù)和器件使成本過(guò)高。全部購(gòu)買(mǎi)國(guó)外成熟的技術(shù)，大大提高系統(tǒng)的硬件成本與維護(hù)成本，使推廣更加困難。

　　本文以EM78247微處理器為核心，針對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的電池組件，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種雙軸陽(yáng)光隨動(dòng)控制器，它具有運(yùn)行穩(wěn)定可靠、跟蹤誤差小、成本低等優(yōu)點(diǎn)，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。

　　1  陽(yáng)光隨動(dòng)控制的基本原理

　　陽(yáng)光隨動(dòng)控制器，顧名思義其基本功能就是使光伏陣列隨著陽(yáng)光而轉(zhuǎn)動(dòng)，基本原理框圖如圖1所示。

　　圖1  光伏陣列陽(yáng)光隨動(dòng)系統(tǒng)原理框圖
 
　　該系統(tǒng)時(shí)刻檢測(cè)太陽(yáng)與光伏陣列的位置并將其輸入到控制單元，控制單元對(duì)這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較并產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，使陽(yáng)光時(shí)刻垂直入射到光伏陣列的表面上，使光伏陣列始終處于最佳光照條件下，發(fā)揮最大光伏轉(zhuǎn)換效率。

　　雖然太陽(yáng)在天空中的位置時(shí)刻都在變化，但其運(yùn)行卻具有嚴(yán)格的規(guī)律性，在地平坐標(biāo)系中，太陽(yáng)的位置可由高度角α與方位角ψ來(lái)確定，公式如下：

　　式中： δ為太陽(yáng)赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐木暥冉牵沪翞闀r(shí)角。

　　太陽(yáng)赤緯角與時(shí)角可以由本地時(shí)間確定，而對(duì)確定的地點(diǎn)，本地的緯度角也是確定，因此只要輸入當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)地理位置與時(shí)間信息就可以確定此時(shí)此刻的太陽(yáng)位置。

　　2  系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方案

　　EM78247是一款具有RISC結(jié)構(gòu)的高性能中檔單片機(jī)，僅有35條單字指令，8 k×14個(gè)字節(jié)FLASH程序存儲(chǔ)器，368×8個(gè)字節(jié)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，256×8個(gè)字節(jié)E2PROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，14個(gè)中斷源，8級(jí)深度的硬件堆棧，內(nèi)部看門(mén)狗定時(shí)器，低功耗休眠模式，高達(dá)25 mA的吸入/拉出電流，外部具有3個(gè)定時(shí)器模塊，2個(gè)16位捕捉器/16位比較器/10位PWM模塊，10位多通道A/D轉(zhuǎn)換器，通用同步異步接收/發(fā)送器等功能模塊。

　　自動(dòng)陽(yáng)光跟蹤器的控制方式主要有微處理器控制、PLC控制、DSP控制與模擬電路控制4種形式，根據(jù)以上原理，本文選擇性?xún)r(jià)比較高的EM78247單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的具體原理框圖如圖2所示。

　　整個(gè)控制器主要由控制單元與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成。控制單元由角度計(jì)算及反饋控制、啟動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生、保護(hù)信號(hào)處理與人機(jī)通訊5個(gè)部分組成。系統(tǒng)功能說(shuō)明如下：?jiǎn)纹瑱C(jī)循環(huán)檢測(cè)光伏陣列的位置，并將其與計(jì)算出的此時(shí)本地太陽(yáng)的高度角與方位角進(jìn)行比較來(lái)確定光伏陣列是否跟蹤上太陽(yáng)的位置，如果沒(méi)有啟動(dòng)信號(hào)滿(mǎn)足啟動(dòng)條件，單片機(jī)就發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng);保護(hù)信號(hào)是保證系統(tǒng)在外界以及其他非人為因素情況下所執(zhí)行的一種操作指令，以確保系統(tǒng)不受損壞，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元主要功能是用來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)光伏電池陣列轉(zhuǎn)動(dòng)。

 　　2.1  控制單元的硬件設(shè)計(jì)

　　由于采用了單片機(jī)作為主控制單元，大部分工作都由單片