基于光電池的太陽光自動追蹤裝置的研制

張書博 張瀟峰

摘 要：文章從經濟性、實用性等方面考慮，設計并研制了一種基于光電感應技術的太陽光自動追蹤裝置。該裝置可自動追蹤太陽光，確保太陽光始終直射入太陽能采集裝置表面，對于提高太陽能裝置對光線的利用效率具有確定的意義。

關鍵詞：光電感應；自動追蹤裝置；利用效率

1 概述

由于太陽能的綠色、無污染等良好特性，國內外對于使用太陽能的研究不斷深入，并取得了長足的發展。在太陽能的吸收效率方面，普遍以太陽光垂直入射為最佳。文章研究了一種基于光電感應裝置的太陽光自動追蹤裝置，使用較低的成本即可實現對于光線的精確追蹤，可在太陽能利用裝置中廣泛使用。

2 位置探測器跟蹤原理及結構

自動跟蹤系統主要由電源、位置探測器、控制組件、云臺四部分組成。位置探測器主要由光敏傳感器組成，包括五象限光電池、光電二極管等。控制組件主要接收從位置探測器來的微弱信號，放大去噪等處理后送到云臺控制電路，實現設備對于太陽光的跟蹤。

跟蹤器的精度直接影響聚光效果，在對現有光伏系統的跟蹤裝置分析的基礎上，經過研究對比，為避免單一程序控制會產生累積誤差現象的發生，設計裝置采用STC89C52單片機來實現系統粗追蹤，實現裝置的初定位，繼而使用五象限光電池探測器的微控制來實現對于太陽光的精確追蹤，系統整體框圖如圖1。

控制系統工作原理如下：當系統剛進入工作狀態時，首先光強度檢測電路檢測樣光強度，并將檢測結果送入單片機進行處理，當檢測到為光線不足時進入時鐘跟蹤模式，單片機讀取時鐘，和內部的各時間對比，從而來調節裝置方位角高度角。當檢測到光照強度足夠的時候，進入光電跟蹤模式，這時光電跟蹤電路工作，實現太陽位置的精確跟蹤。通過設計的五象限光電池探測器來判斷太陽位置。采用脈寬調制技術（PWM）來驅動電機運動，用單片機輸出脈沖。此方案優點是程序設計不復雜，硬件成本低，容易實現，并有較高的跟蹤精度。

圖1 系統整體控制框圖

2.1 五象限光電池探測裝置

光電模型的尺寸確定：電路中采用光敏二極管直徑是6mm，兩個二極管間距為6mm（間距太大會出現光無法照射到任一二極管，使系統紊亂；距離過小出現兩個二極管同時導通，單片機接收錯誤信號）。如圖2（1）所示5個光敏二極管分布在一個圓盤上。圓盤中心有帶孔的空心圓柱體，此圓柱體的高度和直徑會影響到跟蹤裝置的靈敏度，圓柱體過高太陽光容易通過透光孔照射到內壁上，而無法被二極管吸收，過低又起不到隔離各個二極管的作用。

（1） （2）

圖2 五象限分布原理及光敏二極管排列示意圖

五象限光電池探測器把大圓分成四個象限，如圖2（2）所示，小圓是第五象限為標準象限。在每個象限中間都安放面積、性能、參數相同的硅光電池，當太陽光照射到硅光電池上產生電流，與光強成正比。為了避免雜散光對光電池的影響，在光電池上放置一黑色可調光學鏡筒，將光線用凸透鏡會聚成一個大小正好覆蓋5顆光電池的光斑，當太陽光不垂直照射時，形成的光斑發生偏移，產生不同大小的光電流，經處理后輸入到跟蹤頭。

2.2 系統跟蹤電路

跟蹤電路原理是由光電二極管檢測太陽光線的強弱，在陰天光線不足時二極管呈高阻狀態，經過單運放集成芯片LM308輸出低電平，系統進入休眠狀態；當光強過高使二極管導通，LM308輸出高電平，系統進入視日運動軌跡跟蹤狀態，讀取存儲器中太陽高度角和方位角數據，輸出電機轉動信號，完成粗定位。若處于Ⅰ象限的光敏二極管D0處光強最大，呈導通狀態，由于中心圓柱體的遮擋，其余象限二極管處于截止狀態，此路的運算放大器LM324輸出端為低電位，通過I/O口輸入到單片機中，經處理后輸出信號，控制電機轉動，控制器電路圖如圖3。

圖3 跟蹤電路圖

在大范圍跟蹤傳感器的控制系統中單片機能滿足控制系統的工作需要，而且成本很低。在整個控制系統圖中，通過外圍電路采集模擬量和開關量并輸入到單片機的I/O口，通過單片機處理后以PWM方式輸出到控制部分，使電機執行相應的工作，完成整個系統的控制。

3 機械結構

因接收裝置對于太陽光需360度無死角轉動的要求，故選用云臺作為跟蹤系統機械機構部分的主體，設計將太陽光采集裝置與探測器置于同一平面，架設于云臺旋轉臂上。當探測裝置根據探測情況發出電信號后，分別驅動云臺的水平及垂直方向控制電機轉動，即可帶動云臺方向控制裝置實現對于位置的調整，使光線直射于采集裝置表面，實現最高效率的太陽光采集、聚焦，完成系統功能。

4 結束語

根據如上設計，作者成功研制了整套追蹤裝置，根據相應市場調研，該裝置市場價格可控制于百元以內，相對光伏等采光裝置的整體價格而言，具有成本低廉，結構簡單且便于安裝的特點。系統對于太陽光的控制角度誤差可控制在±5%，對于提高太陽光接收裝置效率有顯著的提高作用。在目前以光伏產品為主體的太陽能裝置中具有非常廣泛的應用價值。

作者簡介：張書博（1977，8-），女，遼寧葫蘆島人，浙江工業大學機電學院碩士，浙江建設職業技術學院講師，主要研究方向：機電一體化。

張瀟峰（1993，3-），男，浙江省桐鄉人，浙江建設職業技術學院，專科學生，研究方向：樓宇智能化工程技術。