摘 要： 针对当前太阳能路灯转换效率低的弊端，介绍了一种太阳能路灯双轴跟踪系统，通过实时检测光强的变化驱动执行机构，保证太阳能电池板始终垂直于太阳光线，从而提高太阳能利用效率。实验表明，太阳能电池板在双轴跟踪情况下，发电量要比最佳角度固定安装提高34%。
关键词： AVR单片机；太阳能路灯；双轴跟踪；光伏发电；蓝牙
随着科技日新月异的发展，太阳能产品层出不穷，太阳能路灯应运而生并得以飞速发展。太阳能路灯的供电方式主要有两种：一种是太阳能市电互补方式，另外一种是纯太阳能供电方式。前者除了需要挖沟渠，铺设电缆等大量的繁琐基础工程，还要长期不断地对线路和其他配置进行维护和更新，成本较高。但因其以市电作为储备能源，所以对太阳能发电量要求不高。后者不需要铺设电缆，无储备能源，成本低。为了使路灯正常工作，需要保证太阳能电池板的功率足够高，以产生充足的电量。而由于发电效率不高的问题，有时候会出现蓄电池电量低，无充足电量供予路灯照明的现象，其可靠性大大不如市电互补方式。为了提高其工作可靠性，本文提出一种太阳能路灯双轴跟踪系统。此系统通过在东西、南北两个方向实时跟踪太阳，达到提高太阳能利用效率和增加发电量的目的，以提高纯太阳能式供电的可靠性。
1 系统概述
太阳能路灯双轴跟踪系统由控制系统、太阳能充放电控制器、12 V铅酸蓄电池、电机、太阳能电池板、跟踪支架以及路灯等组成。其中控制系统主要包括供电电路、单片机及外围电路、光电检测电路、掉电检测电路、位置反馈电路、蓝牙无线传输电路、电机驱动电路等。太阳能双轴跟踪装置的原理框图如图1所示。
核心的控制单元采用了ATMEL公司的ATmage16，ATmage16拥有16 KB的系统内可编Flash，512 B EEPROM，1 KB SRAM，32个通用I/O口，8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，3个具有比较模式的灵活的定时器/计数器和具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，功能齐全且强大。
当太阳从东方升起且达到一定光照强度时，系统开始识别太阳的方位，并调整相应的角度，开始进行一天的跟踪。傍晚，当太阳光线弱到一定程度时，停止跟踪。为了避免晚上因为其他灯光的影响导致系统电机的误动作，在停止跟踪后，系统将休眠10个小时，此期间，光电检测模块停止工作，电机不动作。直到10小时过后，单片机将驱动电机回到最东边，光电检测模块也重新开始检测太阳光线，开始新的一天的工作。太阳能充放电控制器可以有效地控制蓄电池的充放电，防止蓄电池因过充或过放等不正常使用而降低寿命。本系统以经济、节能、实用为核心设计思想，除了能够在东西、南北两个方向上同时跟踪太阳，还能实现以下四个功能：
（1）位置反馈功能。使系统能够辨别自己所处的跟踪方位。
（2）蓝牙通信功能。维修人员可以通过手机客户端实现双轴跟踪系统的控制、参数设定和系统的状态检测。
（3）掉电检测功能。使系统在检测到蓄电池低电量时停止跟踪，以防止蓄电池的过放。系统实时检测蓄电池电量，当蓄电池电量不足时，控制模块将驱动电机，使太阳能电池板置于最佳安装角度，并停止跟踪。蓄电池并不会因此停止对控制系统的供电。
（4）抗风性设计。当遇到狂风或是暴风雨天气时，控制系统将驱动电机，将太阳能电池板放平，使之所受外力最小。
2 机械结构
图2是太阳能路灯双轴跟踪机械结构部分，电动机3为涡轮减速电机，安装在上部平台4上，与平台固定。电机输出轴通过键与小齿轮9连接，大齿轮3与安装轴6通过键连接，安装轴6与下部平台10固定在一起，下部平台通过两个抱箍固定在电线杆11上。当给电机上电时，电机带动小齿轮转动，小齿轮为一行星轮，围绕大齿轮转动，进而带动上部平台的转动，从而达到在东西方向跟踪太阳方位角α的目的。电池板支架5与上部平台4通过销轴铰接，直线电机1的下端与直线电机支架2铰接，上端与电池板安装支架铰接。当直线电机通电时，电机轴伸长或者压缩，使电池板支架往下或者往上翻转，达到在南北方向跟踪太阳高度角β的目的。
3 系统功能单元设计
3.1 光线的检测及处理
光线检测部分用于判断太阳的方位，由四个光敏电阻和一个遮光板构成，如图3所示。
四个光敏电阻分别位于电路板的东西南北四个位置，电路板与太阳能电池板平行。当阳光与太阳能电池板不垂直时，由于遮光板的作用，四个光敏电阻所接收的阳光都不一样，从而电阻值也不一样，通过ATmage16对四个光敏电阻电压值的采集、A/D转换并进行比较，从而判断出太阳的方位并进行跟踪。在程序中，定义了move_distense、stop_distense、sun_level[4]等全局变量，sun_level[4]为在四个方向A/D转换后的电压值。当同一方向经A/D转换后的两电压值差值大于move_distense时，电机开始动作，直到两差值与stop_distense相等才停止跟踪。以东西方向的控制为例，其软件实现流程图如图4所示。
通过调整move_distense、stop_distense两个全局变量的大小，即可实现系统跟踪精度的调整，用户可以根据自己的需求和当地的天气状况设置相应的比较码值，以达到灵活调整跟踪精度目的。
采用继电器作为开关进行电机的驱动。电机驱动电路如图5所示。由于ATmage16 I/O口的驱动电流不足以驱动继电器，在此，采用三极管增加其驱动能力。通过控制图中两个继电器的动作来控制输出电压，进而控制电机的正反转。
3.2 掉电检测电路
掉电检测电路的功能是防止在蓄电池低电量时，控制系统依然控制电机跟踪太阳而消耗蓄电池电量。以上情况会导致以下两种结果：（1）蓄电池工作在终止电压以下；（2）控制系统断电。以上两种情况都是不允许出现的。所以，在蓄电池低电量时，必须停止跟踪，以防因跟踪消耗过多蓄电池残余电量。
在太阳能充放电控制器上要求的过放电压为11 V，因此设计时使过放电压稍微高于11 V。采用5.1 k?赘和2.4 k电阻进行分压，3.6 V×（5.1 k+2.4 k）/2.4 赘=11.25 V。因此，当蓄电池电量低于11.25 V时，与单片机PC3口相连的POWCHEK脚将检测到高电平。检测电路如图6所示。
3.3 位置反馈电路
在蓄电池掉电时，电池板需要被调整在最佳安装角度上，并停止跟踪。为了能实现较准确调整到理想的角度，在东西方向和南北方向各采用一个NPN常开型接近开关，使机构在东西南北方向各有一个位置原点。在程序中，以位置原点为系统的计数起点，因为电机的转速一定，通过对电机运行时间控制即可达到对角度控制的目的。
采用风速传感器，当风力达到设定值时，系统将控制太阳能电池板朝着水平方向运动，直到检测到接近开关的接近信号，则停止动作。太阳能电池板水平放置时，机构所受外力最小，能把外界的损害降至最低。其风力上限值可由用户设置。
为了消除系统每天的累计误差，在跟踪到最西边返回时，都需要使太阳能电池板回到位置原点，之后再调整到合适的角度以便新的一天的跟踪。接近开关的电信号采用512-2Z进行光电隔离，如图7所示。
3.4 蓝牙模块无线传输电路
系统通过蓝牙模块实现与外界的通信，操作简单方便。用户可以通过手机蓝牙设置系统参数（如跟踪精度、最佳角度、风力上限值等参数），同时也可以发送指令，控制电机的正反转，以查看跟踪系统是否出现故障。当系统出现跟踪故障时，比如说太阳能电池板由于某种原因卡在某个位置不能动弹，控制系统将通过蓝牙将故障信息发送至手机蓝牙。
蓝牙模块部分采用CSR主流蓝牙芯片，蓝牙V2.0协议标准，可以实现空旷地10 m范围内稳定可靠通信。可以通过手机发送代码来修改蓝牙名称和配对密码，注意密码不宜过于简洁，以防他人恶意操作。蓝牙模块与单片机通信接口很简单，无需电平转换，有D5V、DGND、TXD和TXD四个连接点。其中，TXD和RXD口分别与单片机的数据收发引脚相连。
4 实验结果及分析
为了求证此双轴跟踪系统的发电效率与普通固定式安装的区别，做了如下实验。
提前用太阳能充放电控制器将蓄电池的电量放完。早上七点，将两块性能一样的20 W太阳能电池板分别以固定式安装和双轴跟踪式安装放置在空旷场地，并分别与各自蓄电池相连，给蓄电池充电。晚上，用2个6 W灯泡通过太阳能充放电控制器对蓄电池放电，直到放电结束，并记录放电时间。表1是连续几天的采集信息。
通过实验数据得到，此双轴跟踪方式比固定式安装的发电量提高了34.3%。也进一步证明了利用跟踪方式可以大幅度提高发电效率。
太阳能路灯双轴跟踪系统具有不敷设电缆、安装简便、工作稳定可靠、成本低、使用寿命长等优点，主要适用于城市道路、小区广场、旅游景区、工业园区、农村道路等场所的亮化照明。经过后期大量实验验证，此系统在各种环境下皆能正常工作，抗干扰性强，能够实现可靠的跟踪，对于提高太阳能利用率有重要的意义。因其对太阳能利用率的提高，一方面可以节省昂贵的太阳能电池板，以减少光伏发电成本；另一方面可以提高纯太阳能发电式路灯的工作可靠性。此跟踪系统可以应用在多种照明场合，有一定的市场价值，可行性高。
参考文献
[1] 濮良贵，纪名刚.机械设计(第八版)[M]..北京：高等教育出版社，2006.
[2] 何立民.单片机应用技术选编（3）[M].北京：北京航空航天大学出版社，1996.