全天候太陽能自動跟蹤系統裝置的研究

鄭 鋒 王煒靈 陳健強 陳澤群 張曉薇

（華南理工大學，廣東 廣州510641）

0 引言

太陽能是當今最受關注的一種能源， 全球正面臨著能源危機，經濟發展中對環境保護的要求越來越高，所以新能源的開發和利用成為熱點。 太陽不僅提供地球生物基本的生活物質，其光能還能轉化為電能被利用。 太陽能是真正意義上的取之不盡用之不竭的資源，可以供人類長時間使用。 太陽能綠色，安全，可持續利用，在未來得到前所未有的發展。

1 全天候太陽能自動跟蹤系統裝置的設計

1.1 全天候太陽能自動跟蹤裝置的硬件設計

1.1.1 概述

整個裝置的硬件設計主要包括太陽方位檢測模塊、 光強檢測模塊、風速檢測模塊的設計。

1.1.2 檢測部分

圖1

檢測模塊主要是通過固定在太陽能電池板上，且與板面平行的太陽方位檢測傳感器和光強檢測傳感器來分別檢測太陽方位變化和光強變化，進而驅動跟蹤裝置進行太陽跟蹤。 檢測模塊的設計主要基于光電效應。當光線照在太陽能板上，光電傳感器在電路中的電氣量（電流、電阻）會發生變化，本文中采用的是光敏電阻，因此發生變化的電氣量是光敏電阻的阻值。光敏電阻的阻值會隨著光照強度的增加而減小，如果兩個光敏電阻串聯在同一個回路，當兩個光敏電阻接受光照不同時，兩個光敏電阻連線中點的電壓就會不同，即把太陽方位的狀態量轉換為變化的電壓的電氣量。

方位檢測部分通過四個光敏電阻組成橋式電路， 并采用一塊2.5V 硅片作為陰晴白夜檢測， 同時巧妙地將硅片作為光敏電阻的遮擋元件。當檢測模塊對準太陽時，單片機兩個引腳P1.1 和P1.2 采集到的電壓為2.5V，當未對準太陽時，電壓為1-4V（如圖1）。

1.1.3 風力保護部分

系統運行過程中，現場自然環境隨時可能發生變化，強風來襲的情況下，若不采取及時的保護措施，很有可能造成機械結構損壞，對系統造成難以挽回的損傷。 因此系統設置了強風保護模式，實時監測實際環境的風速，當檢測到強風來襲時，系統自動切入風力保護模式，將太陽能電池板放平，從而減小風對太陽能電池板的作用力，保護太陽能電池板不受破壞，提高發電系統的安全性和可靠性。

當風力級數大于8 級（風速17.2～20.7m/s），三杯式風速傳感儀所輸出的電流信號在13.5mA 以上時，控制器判定當前風速有可能損壞平臺，立即將太陽能電池板放平。 風力檢測電路中使用了三杯式風速傳感器來檢測風速，當風吹動風速杯轉動時，風速傳感器會輸出與風速成正比的電流信號，將4-20mA 電流信號轉成0-5V 電壓信號后輸入到單片機的AD 通道中， 通過判斷電壓信號的大小來判斷風力大小。 當風力達到8 級（可通過程序設定）時，單片機通過AD 轉換后得到的電壓判斷出此時應該切入強風保護模式。

1.2 太陽能自動跟蹤裝置的軟件設計

1.2.1 系統的工作過程

高精度太陽能跟蹤控制器采用光電跟蹤和視日軌跡跟蹤兩種模式來綜合實現。 視日軌跡跟蹤方式在陰天時根據天體運行規律，實時計算出太陽的位置，使跟蹤器定位到一定的范圍。 光電跟蹤則在晴天實時跟蹤太陽軌跡，提高太陽能的利用率。 視日軌跡跟蹤可以提高系統的抗干擾能力。 由于外界自然環境復雜多變，天空中飛起的樹葉或生活垃圾，以及云層的運動都會對傳感器檢測造成干擾，使跟蹤器產生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。

系統首先初始化，對寄存器和變量的初始化。 當風力保護檢測到風力大于6 級，啟動風力保護裝置，使太陽能裝置放平，以減少風阻保護裝置。 當風力正常則進行下一步（圖2）。

1.2.2 視日軌跡跟蹤系統

通過單片機時鐘模塊讀取當前時間，然后由所在地的經度，緯度，通過天體運行公式計算當前的太陽高度角和方位角。把太陽的高度角和方位角轉換成直流電機所要轉動的步數和方向，控制電機轉動。 若電機轉到計算的位置，則根據由硅光電池傳感器通過信號處理電路采樣得來的信號，來判斷電機是否轉到的精確定位位置。 然后依次判讀電機是否對準太陽的高度角和太陽方位角。

圖2

對于視日軌跡跟蹤,一般采取間歇跟蹤方式。 首先，根據跟蹤裝置所在地的經度、緯度、當前日期、時間等參數,由太陽運行軌跡算法即可計算出太陽日出、日落時間,以及從日出至日落某些時刻太陽的方位角與高度角;其次,獲得跟蹤裝置在某時刻的方位角和高度角;然后,分別比較太陽方位角、高度角與跟蹤裝置方位角、高度角，獲得方位角偏差和高度角偏差,當方位角偏差大于許用方位角偏差時,控制方位角跟蹤機構運動使得方位角偏差為零或在一定誤差范圍內,同理,當高度角偏差大于許用高度角偏差時,控制高度角跟蹤機構運動使得高度角角偏差為零或在一定誤差范圍內。

1.3 太陽能自動控制裝置的機械設計

如圖所示為太陽能跟蹤裝置的機械結構總體外觀圖。主要由四部分構成:底座支架、水平旋轉機構、豎直旋轉機構、太陽能電池板支撐機構。

水平旋轉機構由直流電機、電機固定箱、軸承和中間立軸組成。水平軸電機通過減速齒輪可以帶動中間立軸轉動，進而帶動整個太陽能電池板平臺水平方向轉動。 直流電機輸出軸通過1:100 減速齒輪與中間立軸相連。豎直旋轉機構由直流電機、同步帶輪、轉軸、軸承座、太陽能電池板支架等組成。豎直機構通過傳動帶輪實現電池板在豎直平面內的傾角調整，可實現豎直方向90 度旋轉。

圖3

2 結論

全天候太陽能自動跟蹤裝置中， 檢測系統和控制系統相互配合，檢測系統把光線移動的信息及時傳送給控制系統，達到實時跟蹤的目的，裝置經過了實測數據和運行狀況的觀測，反應靈敏，效果良好，設計有效地提高了裝置的工作效率。