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太阳跟踪太阳能电池板

在本项目中，我们将介绍一个简单的太阳能追踪电路，它能够自动追踪太阳的位置，并相应地调整太阳能电池板的角度。

随着不可再生能源的不断减少，利用可再生能源发电的需求正在逐渐增加，太阳能电池板也因此变得越来越普及。我们之前已经学习过如何在家庭中安装太阳能电池板。太阳能电池板通过吸收太阳能，将其转化为电能，并将能量储存在电池中。

这些储存在电池中的能量可以在需要时使用，或者直接作为市电的替代能源。电池中储存能量的具体应用将在下文中提到。

由于地球自转，太阳在太阳能电池板上的相对位置并不是固定的。为了高效地利用太阳能，太阳能电池板必须尽可能多地吸收太阳能。

只有在电池板能够持续对准太阳的情况下，才能实现这一目标。因此，太阳能电池板应当随着太阳的方向不断旋转。本文将介绍一个能够实现太阳能电池板自动旋转的电路。

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1. 太阳追踪太阳能板原理​

太阳追踪太阳能板由两个光敏电阻（LDR）、太阳能板、伺服电机和ATmega328微控制器组成。

两个光敏电阻安装在太阳能板的边缘。光敏电阻在光照下会产生低电阻。连接到太阳能板的伺服电机将根据太阳的方向旋转太阳能板。太阳能板的安装方式是，通过比较两个光敏电阻上的光照强度（即电阻值），太阳能板会朝向光照强度更高（电阻值更低）的光敏电阻方向旋转。伺服电机以一定角度旋转太阳能板。

当右侧光敏电阻上的光照强度更高时，太阳能板会缓慢向右移动；当左侧光敏电阻上的光照强度更高时，太阳能板会缓慢向左移动。在正午时，太阳位于前方，两个光敏电阻上的光照强度相同，此时太阳能板保持静止，不会旋转。

2. 太阳追踪太阳能板电路图​

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2.1 电路中的元件​

  • 太阳能板
  • ATmega328微控制器
  • 光敏电阻（LDR）x 2
  • 10KΩ x 3
  • 伺服电机
  • 16MHz晶振
  • 22pF陶瓷电容 x 2
  • 按钮
  • 面包板
  • 硬纸板
  • 连接线

3. 自动化太阳追踪太阳能板电路设计​

本系统由ATmega328微控制器、太阳能板、光敏电阻和伺服电机组成。

3.1 ATmega328微控制器​

ATmega328是AVR系列微控制器，基于先进的RISC架构。它是一个8位控制器，具有32KB可编程闪存、1KB EEPROM和2KB SRAM。它有23个可编程I/O引脚，支持多种外设功能，如两个8位定时器、一个16位定时器、6通道10位分辨率的ADC、可编程USART、串行外设接口、双线串行接口（I2C）等。

3.2 太阳能板​

太阳能板安装在硬纸板上（仅用于演示），硬纸板底部连接到伺服电机。太阳能板由按一定顺序排列的光伏电池组成。光伏电池本质上就是太阳能电池，由半导体材料硅制成。

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当太阳光照射到太阳能电池上时，部分能量被材料吸收。吸收的能量足以使电子从原子的一个轨道跃迁到另一个轨道。电池内部有一个或多个电场，引导电子流动，从而产生电流。通过安装金属接触点，可以从这些电池中获取能量。

3.3 光敏电阻（LDR）​

光敏电阻的电阻值取决于光照强度。随着光敏电阻上的光照强度增加，其电阻值会降低。在黑暗中，光敏电阻的电阻值最大。光敏电阻输出的是模拟值，需要将其转换为数字值，这可以通过模数转换器（ADC）实现。

ATmega328内部集成了ADC，具有从ADC0到ADC5（引脚23-28）的6个ADC通道。两个光敏电阻通过10KΩ电阻以电压分压的方式连接到ADC引脚（引脚27和28）。ADC转换采用逐次逼近法。

3.4 伺服电机​

伺服电机用于旋转太阳能板。要驱动伺服电机，必须向其控制引脚提供PWM信号，因此将引脚17（具有PWM功能）连接到伺服电机的控制引脚。

通过将电池连接到太阳能板，可以存储太阳能电池产生的能量，并在需要时使用。有专门的充电控制器电路用于高效控制从太阳能板获取的电量并为电池充电。

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4. 代码​

在之前的教程中，我展示了“如何为ATmega328烧录引导程序”。在本教程中，您可以了解如何使用Arduino IDE将代码上传到ATmega328微控制器。

本项目的代码如下：

#include <Servo.h>

Servo myservo;  
int ldr1 = 4; 
int ldr2 = 5;
int val1;
int val2;   
int pos=90;

void setup() 
{
  myservo.attach(11); 
  Serial.begin(9600);
  myservo.write(pos);   
}

 
    
void loop() 
{
  val1 = analogRead(ldr1);            
  val2 = analogRead(ldr2);
  val1 = map(val1, 0, 1023, 0, 180);     
  val2 = map(val2, 0, 1023, 0, 180);     
  if(val1 > (val2+50))
  {    
    if(pos<180)
     pos=pos+1;
    myservo.write(pos);
    Serial.println("backward");         
    delay(10);         
  }
  else if(val2 > (val1+50))
  {
    if(pos>0)
     pos=pos-1;
    myservo.write(pos);
    Serial.println("forward");         
    delay(10); 
  }
                     
}

5. 太阳追踪太阳能板的工作原理​

  • 按照描述组装电路，并将代码上传到ATmega328微控制器。
  • 接通电路电源，并将装置直接放置在阳光下（例如屋顶）。
  • 根据两个光敏电阻上的光照情况，ATmega328微控制器会改变伺服电机的位置，从而移动太阳能板。

6. 太阳追踪太阳能板的优点​

  • 太阳能是一种可再生能源，可以重复利用。
  • 这种方式可以节省资金，因为不需要支付使用的能源费用（不包括初始设置成本）。
  • 通过持续追踪太阳，可以最大化太阳能的吸收。

7. 太阳追踪太阳能板的应用​

  • 可用于为交通信号灯和路灯供电。
  • 可用于家庭，利用太阳能为家用电器供电。
  • 可用于工业领域，通过旋转太阳能板节省更多能源。

8. 太阳追踪太阳能板电路的局限性​

  1. 虽然可以最大化利用太阳能，但在雨季可能会出现问题。
  2. 尽管太阳能可以存储到电池中，但电池体积较大、占用空间多，并且需要定期更换。
  3. 电池成本较高。