基于太陽能聚光照明跟蹤系統的研究與實現

齊學紅

摘? 要：研究了聚光照明跟蹤系統及轉向裝置，分析了隔板式光敏三極管組成光電跟蹤系統和L298模塊驅動的轉動裝置;設計了跟蹤器的控制電路，采用加減法電路比較相對方向信號，由比較器獲得太陽方位信號，經單片機控制機械轉向裝置，實現對太陽方位和陰晴天的精確判定。對系統的跟蹤精度和效果進行了測試，滿足室內照明要求。

關鍵詞：聚光照明;光電跟蹤;控制系統

中圖分類號：TP29? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）26-0037-02

Abstract： The spotlight illumination tracking system and steering device is studied， and the photoelectric tracking system composed of a baffle-type photosensitive triode and the rotating device driven by the L298 module is analyzed. The solar azimuth signal is obtained by the comparator， and the mechanical steering device is controlled by the single-chip microcomputer to realize accurate determination of the solar azimuth and cloudy and sunny days. The tracking accuracy and effect of the system is tested， meets the requirements of indoor lighting.

Keywords： spotlighting; photoelectric tracking; control system

太陽能資源具有豐富性、普遍性、清潔性、經濟性、健康性等優點，太陽能的開發利用日益成為新能源的開發研究的熱點[1]。太陽能可以緩解能源危機，但因存在不足而限制推廣[2-3]。光伏聚光照明可將太陽光面積壓縮，提高光能量密度，提高效率。光輻照度是光伏聚光照明關鍵技術，論文分析隔板式光敏管組成的跟蹤系統及轉動裝置，控制轉動方向以提高光照度。

1 太陽聚光照明系統

系統由跟蹤系統、聚光系統、傳輸光纖和照明裝置等組成。跟蹤系統包括太陽方位跟蹤器、機械轉動裝置和控制電路，跟蹤系統探測太陽方位，方位信息經處理后，驅動照明裝置轉動，實現太陽光始終垂直入射光學透鏡，光學透鏡將太陽光匯聚于焦點，再耦合進光纖，由光纖傳輸至室內照明。

2 光電跟蹤原理及探測器選擇

2.1 隔板遮擋式光電跟蹤原理

光電轉換輸出電流或電壓與光強關系，單位面元ds上的光通量為d？椎，則面元上光照度E為：E=d？準/dS。由立體角定義得到：d？贅=cos？琢·ds/r2。單位面元ds上的光通量為：d？椎=I·d？贅。面積ds上的光照度為：E=I·cos？琢/r2。可見點光源照射平面，光照度與發光強度成正比，與光源到平面的距離平方呈反比，并和光線與平面的夾角余弦呈正比;垂直照射時光照度最大，水平照射時光照度為零。

2.2 光電探測器和放置方式

光電跟蹤器由光敏電阻，光敏二極管，光敏三極管，硅光電池等組成，光敏電阻受溫度影響大，探測誤差大;硅光電池本質上是太陽能電池;光敏二級管的光電流與光照度成正比，光敏三極管具有電流放大作用（β倍），適合于低光照度環境。探測器放置方式有隔板式、金字塔式、光筒式三種。本設計選用結構簡單的隔板式光敏三極管探測器，將探測器置于一個平面內且被隔板隔開，當陽光照射時由于隔板的存在使隔板兩側的探測器受到的光照度大小不等，形成電壓，根據電壓大小即可判斷太陽方位。長方體的4個側面光敏管探測太陽方位，頂部光敏管探測陰晴天。

3 跟蹤系統控制電路設計

太陽方位跟蹤器的外形設計、光電探測器的選擇和放置方式決定了跟蹤的精度。光敏管采集光照度，經運算放大器放大后到比較整形電路，數字化后傳輸給單片機，由單片機控制電機轉動，電機驅動機械轉動裝置，實現太陽光的精確跟蹤，如圖1所示。

3.1 跟蹤信號采樣電路[4]

選用光敏傳感器XD/GB3-A1DPS，當光照強度達到一定程度，光敏管導通，C、E電壓降低，輸出電壓升高，輸出至電壓跟隨器，獲得采樣電壓。

3.2 方向信號處理電路

隔板探測器四個方向光敏管輸出采樣電壓，頂部電壓獲取太陽方位，南北方向和東西方向電壓進行比較。將比較電壓送入運放構成的加減法器處理，輸出東西方向采樣信號，同理設計獲得其他方向采樣信號。

3.3 方向判定電路

東西方向處理電路輸出模擬信號，通過比較電路實現信號模數轉換，南北方向判斷原理相同，結論見表1。

3.4 陰晴判定電路

光伏聚光照明系統在陽光充足時工作，陰天和晚上應休眠節約電能。

3.5 單片機控制電路[5]

系統對轉動速度要求不高，選擇普通的AT89S52單片機。在此基礎上與采樣電路、方位電路、比較器、陰晴判定電路、電源電路構成控制電路。

4 轉動設備

4.1 L298驅動模塊[6]

L298N驅動芯片15腳封裝，內部4路電機驅動輸出，二個H橋驅動器，分別驅動直流電機和步進電機。單片機通過I/O接口與模塊相連，單片機控制驅動模塊，進而控制電機正反轉，實現對太陽的跟蹤。

4.2 電機及減速傳動

直流電機具有調速性能好，調速范圍廣，易于平滑調節等優點。但是轉速太快，不適合太陽跟蹤，采用蝸輪蝸桿作為電機減速傳動裝置，設計采用90°角垂直咬合傳動，由蝸桿帶動蝸輪轉動。

4.3 運轉平臺

運轉平臺用于固定、支撐、轉動、安放其他部件的裝置，底部鐵塊基座固定整個裝置，鐵管置于底座起支撐作用。電機轉動帶著齒輪轉動，齒輪帶動鐵桿轉動，實現垂直方向跟蹤;垂直方向點轉動帶著齒輪，齒輪帶動鐵桿，實現水平方向跟蹤。

5 控制軟件設計

采用C語言編寫程序，對管腳和參數初始化，判斷陰晴天，如果為陰天，等待一段時間再次判定;判斷為晴天，根據比較器的輸出值判斷跟蹤系統是否已經對準太陽，如果判斷為對準，則等待一段時間后重復上述過程;如果判斷為未對準太陽，則判斷水平電機是否對準太陽，未對準則水平電機轉動后;再判斷垂直電機是否對準太陽，未對準則垂直電機轉動，完成上述動作后等待1s后再重復上述過程[5]，軟件的流程如圖2所示。

6 跟蹤精度測試分析

采用光電跟蹤，具有實時性，當太陽光強度超過預設值時，控制電路啟動太陽方位跟蹤。比較器輸出電壓控制機械運轉裝置，直到對準太陽，跟蹤精度取決于跟蹤器。設計采用L298N 控制蝸輪蝸桿直流電機的跟蹤方案，將菲涅爾透鏡安裝在固定框內，跟蹤器放置于固定框一端，并保持跟蹤器側面的四個光敏管與固定框在同一平面，將坐標紙置于固定框底部，坐標原點置于光斑理論焦點。裝置在太陽照度理想的狀態下測試，啟動電源對太陽跟蹤，穩定后記錄坐標紙上聚焦光斑中心的位置，連續記錄，得到如圖3所示的焦點光斑中心位置分布圖。測試表明，跟蹤精度小于1.0°，誤差不大于0.8°，最小精度達到0.4om，最佳出光效率為0.84。經過分析，在陰天測量時，調節可變電阻器，改變參考電壓以提高測量精度。

7 結束語

太陽方位跟蹤器、控制電路、機械轉動裝置等硬件和軟件設計。能模擬陰晴天跟蹤，分析比較器參考電壓的取值;測試精度小于1.0°，達到設計要求，實現自動跟蹤。

參考文獻：

[1]荊雷，王堯，趙會富，等.實現均勻照度光伏聚光鏡設計[J].光學學報，2014，34（2）：80-85.

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[3]閆云飛，張智恩，張力，等.太陽能利用技術及其應用[J].太陽能學報，2012（51）：47-56.

[4]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎（第五版）[M].北京：高等教育出版社，2015.

[5]張毅剛.單片機原理及應用（第3版）[M].北京：高等教育出版社，2016.

[6]孟智遠，任麗娟，王先勇.基于L297/L298步進電機的精確單片機控制程序[J].電子世界，2011（4）：43-46.