智能建筑中太陽能自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計
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一、太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的總體設(shè)計方案
目前，常用的太陽能自動跟蹤方式有三種，即光電跟蹤、太陽高度角跟蹤以及二者相結(jié)合的混合跟蹤方式。其中，光電跟蹤方式采用了閉環(huán)控制形式，累積誤差小、準(zhǔn)確度高；但其光電探測器易受天氣和雜散光等影響，對周圍使用環(huán)境要求較高。太陽高度角跟蹤方式（也叫視日運(yùn)行軌跡跟蹤方式）包括單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種方式。此種跟蹤方式不易受外界影響、工作可靠性高；但由于其采用的是開環(huán)控制形式，導(dǎo)致跟蹤累積誤差較大；且需要安裝定位精準(zhǔn)。綜合分析比較，本文采用光電跟蹤與太陽高度角跟蹤相結(jié)合的混合跟蹤方式?？筛鶕?jù)使用情況的變化靈活切換不同的跟蹤方式，以實現(xiàn)太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的功能互補(bǔ)，提高其跟蹤精度和運(yùn)行的穩(wěn)定性。
二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計
結(jié)合太陽能自動跟蹤方式的分析比較，本文給出了一個基于STM32控制器的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)硬件設(shè)計方案；且具有控制簡單、低成本、高性能的特點。該系統(tǒng)主要由太陽能跟蹤控制器、檢測模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊等組成。其中，太陽能跟蹤控制器作為系統(tǒng)的核心部分，又包括電源模塊、LCD顯示模塊、AD轉(zhuǎn)換模塊、串口通信模塊等；同時采用STM32核心芯片連接各個模塊控制整個太陽能自動跟蹤裝置，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)各部分硬件組成形式及其功能如下。（1）太陽能跟蹤控制器選用STMicroelectronics公司的STM32F103VET6作為主控芯片。該芯片含有精密外設(shè)且可靠性高，具有簡單實用、功耗低、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點。其電源模塊采用12V供電電源形式，通過LM2596、SPX1117芯片轉(zhuǎn)換之后可輸出5V、3.3V、2.85V、1.8V、1.5V等不同電壓以供給各模塊使用。串口模塊選用CH340G芯片，可提供RS232和RS485兩種接口形式；主要用于STM32控制器與LCD顯示模塊、GPS模塊的通信。LCD顯示模塊選用3.2寸TFT－LCD，具有顯示速度快、操作方便等特點。作為太陽能跟蹤系統(tǒng)的重要組成部分，該控制器主要用于接收和處理各傳感器信息、控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動、選擇合適的太陽能跟蹤方式以及實時顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)等。（2）傳感器檢測模塊包括光電池傳感器、高度角傳感器、方位角傳感器和信號處理電路等。主要用于檢測太陽光照強(qiáng)度、執(zhí)行機(jī)構(gòu)角度與方位偏移量等信息，并利用信號處理電路進(jìn)行轉(zhuǎn)換、放大處理，以輸出給控制器使用。（3）GPS模塊作為太陽能跟蹤系統(tǒng)中觀測地的定位設(shè)備，選用的是u－blox公司的NEO－6M模塊；主要用于確定觀測點地理經(jīng)度和緯度等信息。（4）步進(jìn)電機(jī)模塊選用的是56BYGH630DJP電機(jī)型式，并利用ULN2003驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動。通過對高度角步進(jìn)電機(jī)與方位角步進(jìn)電機(jī)的控制，實現(xiàn)太陽能電池板的轉(zhuǎn)動，以達(dá)到太陽能實時跟蹤的目的。
三、系統(tǒng)的軟件設(shè)計
根據(jù)太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，本文采用模塊化的設(shè)計思想進(jìn)行系統(tǒng)的軟件設(shè)計。其軟件部分主要包括時鐘模塊、太陽高度角跟蹤模塊以及光電跟蹤模塊。工作過程為：首先，系統(tǒng)開機(jī)初始化并進(jìn)行復(fù)位檢查。然后進(jìn)入主程序，利用傳感器檢測太陽光照強(qiáng)度，并判斷是否滿足系統(tǒng)啟動條件；若滿足，則系統(tǒng)啟動進(jìn)入太陽高度角跟蹤模式；如不滿足，則延時一段時間重新判斷。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)入太陽高度角跟蹤模式之后，利用傳感器再次檢測太陽光照強(qiáng)度是否夠強(qiáng)；若足夠，則系統(tǒng)進(jìn)入光電跟蹤模式；否則，重新判斷光照強(qiáng)度決定是否進(jìn)入太陽高度角跟蹤模式。
結(jié)語
能源危機(jī)和建筑能耗問題使得建筑技術(shù)與太陽能技術(shù)相結(jié)合，形成的光伏建筑一體化必將成為智能建筑未來的發(fā)展趨勢。因此，本文在分析太陽能技術(shù)與智能建筑中的應(yīng)用情況以及傳統(tǒng)太陽能跟蹤裝置缺點的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一個基于STM32控制器的智能建筑太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由太陽能跟蹤控制器、檢測模塊、步進(jìn)電機(jī)模塊等組成；滿足跟蹤精度要求，能夠有效提高太陽能利用率，具有較高的應(yīng)用價值和廣闊的市場前景。
作者：張興超 單位：昆明理工大學(xué)津橋?qū)W院電氣與信息工程學(xué)院
