斜單軸太陽能跟蹤裝置

張治國 王茹玉

摘 要：提高太陽能發電效率，一方面研發新材料的太陽能板，另一方面提高轉換效率；太陽能跟蹤裝置是解決辦法之一。太陽跟蹤裝置是一種能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，主要功能是實現光伏電池輸出功率最大化。斜單軸太陽能跟蹤系統主要包括：光強檢測模塊、控制器、白天黑夜檢測模塊、步進電機及驅動模塊、支架等系統組成。

關鍵詞：跟蹤系統控制方法；光強度檢測；步進電機控制和驅動

隨著人類社會的進步，人類社會高度依賴能源，對化石燃料的開采和消耗，而化石燃料不可再生，能源危機日益凸顯。如何解決能源危機成為擺在人類面前的一道難題。一方面提高能源的利用率；二是節省能源；但是這些措施治標不治本；從根本解決能源危機的方法是開發新能源。太陽能既是清潔能源而且可再生能源。它遍布全球，使用免費而且不需要運輸，對環境沒有任何的污染。太陽能沒有地域的限制，無論陸地、海洋、高山或盆地等到處分布，并且直接可以開發和利用。每年照射到到達地球表面上的太陽能相當于130萬億噸煤釋放的能量，其總量居人類可開發的能源之首。以目前太陽能核反應的速率，太陽的壽命越上百億年，從這個時間上來講，太陽能是一種屈指不經用之不竭的能源，目前應用已經非常的廣泛。但太陽能容易受到天氣變化的影響具有不穩定性，地球自轉導致晝夜交替使太陽能具有間歇性，地球公轉導致空間分布具有時變性；如何更加高效的利用太陽能以及提高太陽能的利用率？一直是人們追求的目標。太陽能跟蹤裝置是解決辦法之一。跟蹤太陽可使接收器接受效率大幅度提高。

太陽每天東升西落，每年南北位置也在緩慢變化，這種變化隨著時間和緯度的變化而變化；通常用高度角、方位角來表述。高度角指的是太陽光線與地表水平面得之間的夾角，方位角指的是是樹立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方向的夾角。太陽跟蹤裝置就是一種使太陽能電池板正對太陽，使太陽光垂直照射到太陽能電池板的裝置，主要目的使太陽能電池板電能輸出功率最大化。

目前太陽能自動跟蹤裝置從控制方法有勻速控制方法、光強度控制方法、時空控制方法以及混合控制方法；從機械結構方面分為單軸自動跟蹤方式、雙軸自動跟蹤方式。

勻速控制方法指地球的自轉速度是恒定的，可以認為從東升起，向西運動；太陽在方位角上以15度每小時勻速運動，24小時運動一周，讓太陽能電池板以地球自轉角15度每小時轉動。

光強度控制方法是利用光傳感器來檢測空間光線的強度，判斷太陽位置，然后驅動電機轉動支架進行追蹤從而太陽能電池板正對太陽。

時空控制方法是根據當地經緯坐標和時間，利用天文學計算公式，計算太陽所處空間位置，然后驅動電機轉動支架進行追蹤從而太陽能電池板正對太陽。

單軸自動跟蹤方式指太陽能板的南北方向固定不動，而東西方向根據太陽的位置控制電機驅動使其旋轉。

雙軸自動跟蹤方式指太陽能板在南北、東西兩個方向根據太陽的位置控制太陽能板旋轉。

在上述介紹的基礎上，設計一種定時檢測光強度的斜單軸跟蹤裝置。而目前光伏系統中，出于成本和可靠考慮，太陽能電池板采用朝南固定安裝，但是這種安裝方式大大降低了太陽能電池板在一天之內的有效發電的時間，該裝置提高光電轉換的效率，結構簡單易安裝，并且電路簡單，；但容易受天氣變化的影響。根據查閱實驗數據可知，平單軸能提高10%—20%的發電量，斜單軸自動跟蹤裝置能提高20%—25%的發電量。

1 系統組成及功能分析

斜單軸太陽能跟蹤系統主要包括以下模塊：光強度檢測模塊、控制器模塊、白天黑夜檢測模塊、步進電機及驅動模塊、支架系統等系統組成如下圖所示：

光強檢測模塊主要用來檢測太陽能電池板在東西方向是否正對太陽，從而調整太陽能電池板的方位角。本設備選用光敏電阻作為太陽位置的敏感元件。在太陽能電池板東西兩側垂直板面各安裝一塊。當兩個光敏電阻的感光量相等，輸出電壓相等，電動機不轉動。若太陽能電池板那側感光量強，則對應側光敏電阻輸出的電壓高，電壓信號經過放大電路放大后送入單片機，經過單片機內部的模數轉換器，轉換成數字信號，通過對兩個數值的比較，若左右兩側的電壓值差的絕對值超過一定范圍時，則單片機控制步進電機驅動太陽能電池板朝電壓較高的一側旋轉，直至兩側電壓差在程序設定范圍內，最終達到太陽能電池面板在東西方向正對太陽，從而使太陽能電池板電能輸出功率最大化。電路如下：

步進電機驅動模塊中步進驅動器接收到單片機發送的一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。本次設計選用的是四相六線制85BYG11450A型步進電機，該步進電機的工作電壓為4.4V，步進電機的步距角1.8°±5%。步進電機的驅動芯片選用CW-250AC，VC為電源的兩個接線端子，工作電壓為24V-60V。電路圖如下：

白天黑夜檢測模塊功能如下：當處在白天時，D1在光照下使其導通，輸出高點位，當檢測到端口為高電平時，啟動光電跟蹤模式；當處在黑夜時，D1沒有光照截至，輸出低電平，當檢測到端口為低電平時，循環繼續檢測。

系統控制部分采用51單片機，采用單片機的最小系統。首先控制器接受到來自檢測模塊發來的信號，通過程序來判斷，進而輸出信號控制步進電機驅動器，步進電機驅動芯片根據接受到的命令來控制步進電機來帶動太陽能電池板達到跟蹤太陽的目的。

2 系統軟件設計模塊

斜單軸太陽能跟蹤裝置軟件模塊的設計思想是程序初始化，首先檢測是白天還是黑夜，如果黑夜繼續等待，若是白天則啟動光電跟蹤模塊；檢測左右兩側的電壓是否相等，不等啟動電機轉動，執行完畢后，再進行檢測，并循環進行。具體控制流程如圖所示：

參考文獻：

[1]張永興.單軸太陽能跟蹤系統設計[J].光電技術應用，2010，25（4）.

[2]李鵬萬.太陽能自動跟蹤裝置控制系統設計[D].新疆：新疆農業大學，2016.

作者簡介：張治國（1985-），男，陜西西安人，主要從事電學、教育方面的研究；王茹玉（1987-），女，陜西西安人，主要從事電學、教育方面的研究。