基于光強感知的太陽跟蹤系統設計

顧俊林　張同杰　王梓毅　杜祎倩

摘 要：太陽能作為一種新興無污染的可再生能源，近些年來受到人們的廣泛關注。太陽位置的變化會導致太陽能板表面光照強度的變化，對發電效率的影響較大。為解決上述問題，本文設計了一種能夠自動追蹤太陽位置的高效率光伏充電系統。通過光強感知模塊檢測太陽的實際位置來控制轉臺的水平與垂直方向的轉動角度，調整光伏電池板使其跟隨太陽位置變化而移動，實現太陽光能轉化效率的最大化。

關鍵詞：光強感知 太陽能 自動追蹤

中圖分類號：TP212.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2019）03（b）-0118-02

光伏發電具有清潔性、安全性、經濟性以及免維護性等顯著優點[1]。目前，太陽能電池板一般采取固定安裝方式，無法保證太陽光實時垂直照射，導致太陽能資源無法得到充分利用[2-3]。為進一步提高太陽能的轉換效率，本文設計了一種可以自動跟隨太陽光照的裝置，保證太陽能電池板所在的平面始終與太陽光線垂直，從而提高設備的發電效率。

1 系統總體架構

系統總體架構如圖1所示，由兩個功能部分組成：光照采集部分、轉臺部分。光照采集部分由光照傳感器和太陽能板組成，本系統通過光照傳感器對光的感知從而判斷太陽垂直照射的方向，并將信息傳給主控板然后通過舵機控制轉臺進行雙軸追蹤。

2 太陽光強感知模塊設計

本文利用光敏電阻的阻值與電壓之間的變化關系檢測太陽光的強度，設計的太陽光強模塊如圖2所示。

如圖2所示，將光敏電阻與固定阻值的電阻串聯并外接電壓，使光照變化導致的光敏電阻阻值的變化轉變成電壓的變化，并將此電信號傳遞給控制電路用于判斷和處理。本系統由兩對共四個光敏電阻構成，供電電壓為5V，光照強度相等時每對的中間電位均為2.5V。當太陽光入射角度發生變化時，光敏電阻的阻值變化將導致其兩端的電壓產生變化，與中間電位相比出現電壓差。該電壓差即可反映太陽的位置。

3 轉臺結構設計

轉臺結構如圖3所示，其轉動由Arduino mege2560控制舵機實現。

通過控制舵機對太陽能板的仰俯角和方位角進行調整，使其始終保持與太陽光線垂直，從而獲取最大發電功率。執行裝置選用的是DS3120大扭力舵機。為了使系統能夠連續對太陽光線進行跟蹤，設計轉臺的俯仰角范圍為0°～90°，旋轉角范圍為0°～180°。

4 系統搭建

搭建好的太陽跟蹤系統實物如圖4所示。其中，太陽光強感知模塊安裝在太陽能板的正面中心位置。

通過實驗，本文系統能夠自動識別太陽方向，并隨之調整跟隨角度，保持太陽能板達到最大接收效率，而且在天氣情況不佳的情況下也能正常運行。

5 結語

本文設計了一種基于光強感知的太陽跟蹤系統。由光敏電阻陣列組成太陽光強感知模塊來獲取太陽位置，再通過舵機控制轉臺轉動實現跟蹤。該系統成本低、跟蹤效果較好，可實現小型室外系統的電力自給自足，具有較強的應用價值。

參考文獻

[1] 秦偉，李國強.光伏太陽能——21世紀的能源之星[J].新經濟產業，2003，11（34）：44-46.

[2] 王景華，朱鳳德.一種新型太陽能聚光器的研制[J].南京師大學報 2007，55（24） ：39-42.

[3] 高峰，孫成權，劉全根.太陽能開發利用的現狀及發展趨勢[J].世界科技研究與發展，2001，12（4）：35-39.