基于光電池的太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤裝置的研制

張書(shū)博 張瀟峰

摘 要：文章從經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性等方面考慮，設(shè)計(jì)并研制了一種基于光電感應(yīng)技術(shù)的太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤裝置。該裝置可自動(dòng)追蹤太陽(yáng)光，確保太陽(yáng)光始終直射入太陽(yáng)能采集裝置表面，對(duì)于提高太陽(yáng)能裝置對(duì)光線的利用效率具有確定的意義。

關(guān)鍵詞：光電感應(yīng)；自動(dòng)追蹤裝置；利用效率

1 概述

由于太陽(yáng)能的綠色、無(wú)污染等良好特性，國(guó)內(nèi)外對(duì)于使用太陽(yáng)能的研究不斷深入，并取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。在太陽(yáng)能的吸收效率方面，普遍以太陽(yáng)光垂直入射為最佳。文章研究了一種基于光電感應(yīng)裝置的太陽(yáng)光自動(dòng)追蹤裝置，使用較低的成本即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于光線的精確追蹤，可在太陽(yáng)能利用裝置中廣泛使用。

2 位置探測(cè)器跟蹤原理及結(jié)構(gòu)

自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要由電源、位置探測(cè)器、控制組件、云臺(tái)四部分組成。位置探測(cè)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(cè)器來(lái)的微弱信號(hào)，放大去噪等處理后送到云臺(tái)控制電路，實(shí)現(xiàn)設(shè)備對(duì)于太陽(yáng)光的跟蹤。

跟蹤器的精度直接影響聚光效果，在對(duì)現(xiàn)有光伏系統(tǒng)的跟蹤裝置分析的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)研究對(duì)比，為避免單一程序控制會(huì)產(chǎn)生累積誤差現(xiàn)象的發(fā)生，設(shè)計(jì)裝置采用STC89C52單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)粗追蹤，實(shí)現(xiàn)裝置的初定位，繼而使用五象限光電池探測(cè)器的微控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于太陽(yáng)光的精確追蹤，系統(tǒng)整體框圖如圖1。

控制系統(tǒng)工作原理如下：當(dāng)系統(tǒng)剛進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，首先光強(qiáng)度檢測(cè)電路檢測(cè)樣光強(qiáng)度，并將檢測(cè)結(jié)果送入單片機(jī)進(jìn)行處理，當(dāng)檢測(cè)到為光線不足時(shí)進(jìn)入時(shí)鐘跟蹤模式，單片機(jī)讀取時(shí)鐘，和內(nèi)部的各時(shí)間對(duì)比，從而來(lái)調(diào)節(jié)裝置方位角高度角。當(dāng)檢測(cè)到光照強(qiáng)度足夠的時(shí)候，進(jìn)入光電跟蹤模式，這時(shí)光電跟蹤電路工作，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)位置的精確跟蹤。通過(guò)設(shè)計(jì)的五象限光電池探測(cè)器來(lái)判斷太陽(yáng)位置。采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，用單片機(jī)輸出脈沖。此方案優(yōu)點(diǎn)是程序設(shè)計(jì)不復(fù)雜，硬件成本低，容易實(shí)現(xiàn)，并有較高的跟蹤精度。

圖1 系統(tǒng)整體控制框圖

2.1 五象限光電池探測(cè)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(gè)二極管間距為6mm（間距太大會(huì)出現(xiàn)光無(wú)法照射到任一二極管，使系統(tǒng)紊亂；距離過(guò)小出現(xiàn)兩個(gè)二極管同時(shí)導(dǎo)通，單片機(jī)接收錯(cuò)誤信號(hào)）。如圖2（1）所示5個(gè)光敏二極管分布在一個(gè)圓盤(pán)上。圓盤(pán)中心有帶孔的空心圓柱體，此圓柱體的高度和直徑會(huì)影響到跟蹤裝置的靈敏度，圓柱體過(guò)高太陽(yáng)光容易通過(guò)透光孔照射到內(nèi)壁上，而無(wú)法被二極管吸收，過(guò)低又起不到隔離各個(gè)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(cè)器把大圓分成四個(gè)象限，如圖2（2）所示，小圓是第五象限為標(biāo)準(zhǔn)象限。在每個(gè)象限中間都安放面積、性能、參數(shù)相同的硅光電池，當(dāng)太陽(yáng)光照射到硅光電池上產(chǎn)生電流，與光強(qiáng)成正比。為了避免雜散光對(duì)光電池的影響，在光電池上放置一黑色可調(diào)光學(xué)鏡筒，將光線用凸透鏡會(huì)聚成一個(gè)大小正好覆蓋5顆光電池的光斑，當(dāng)太陽(yáng)光不垂直照射時(shí)，形成的光斑發(fā)生偏移，產(chǎn)生不同大小的光電流，經(jīng)處理后輸入到跟蹤頭。

2.2 系統(tǒng)跟蹤電路

跟蹤電路原理是由光電二極管檢測(cè)太陽(yáng)光線的強(qiáng)弱，在陰天光線不足時(shí)二極管呈高阻狀態(tài)，經(jīng)過(guò)單運(yùn)放集成芯片LM308輸出低電平，系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)；當(dāng)光強(qiáng)過(guò)高使二極管導(dǎo)通，LM308輸出高電平，系統(tǒng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤狀態(tài)，讀取存儲(chǔ)器中太陽(yáng)高度角和方位角數(shù)據(jù)，輸出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)，完成粗定位。若處于Ⅰ象限的光敏二極管D0處光強(qiáng)最大，呈導(dǎo)通狀態(tài)，由于中心圓柱體的遮擋，其余象限二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，此路的運(yùn)算放大器LM324輸出端為低電位，通過(guò)I/O口輸入到單片機(jī)中，經(jīng)處理后輸出信號(hào)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，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(tǒng)中單片機(jī)能滿足控制系統(tǒng)的工作需要，而且成本很低。在整個(gè)控制系統(tǒng)圖中，通過(guò)外圍電路采集模擬量和開(kāi)關(guān)量并輸入到單片機(jī)的I/O口，通過(guò)單片機(jī)處理后以PWM方式輸出到控制部分，使電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的工作，完成整個(gè)系統(tǒng)的控制。

3 機(jī)械結(jié)構(gòu)

因接收裝置對(duì)于太陽(yáng)光需360度無(wú)死角轉(zhuǎn)動(dòng)的要求，故選用云臺(tái)作為跟蹤系統(tǒng)機(jī)械機(jī)構(gòu)部分的主體，設(shè)計(jì)將太陽(yáng)光采集裝置與探測(cè)器置于同一平面，架設(shè)于云臺(tái)旋轉(zhuǎn)臂上。當(dāng)探測(cè)裝置根據(jù)探測(cè)情況發(fā)出電信號(hào)后，分別驅(qū)動(dòng)云臺(tái)的水平及垂直方向控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可帶動(dòng)云臺(tái)方向控制裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)于位置的調(diào)整，使光線直射于采集裝置表面，實(shí)現(xiàn)最高效率的太陽(yáng)光采集、聚焦，完成系統(tǒng)功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)如上設(shè)計(jì)，作者成功研制了整套追蹤裝置，根據(jù)相應(yīng)市場(chǎng)調(diào)研，該裝置市場(chǎng)價(jià)格可控制于百元以內(nèi)，相對(duì)光伏等采光裝置的整體價(jià)格而言，具有成本低廉，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且便于安裝的特點(diǎn)。系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)光的控制角度誤差可控制在±5%，對(duì)于提高太陽(yáng)光接收裝置效率有顯著的提高作用。在目前以光伏產(chǎn)品為主體的太陽(yáng)能裝置中具有非常廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

作者簡(jiǎn)介：張書(shū)博（1977，8-），女，遼寧葫蘆島人，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院碩士，浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，主要研究方向：機(jī)電一體化。

張瀟峰（1993，3-），男，浙江省桐鄉(xiāng)人，浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，專科學(xué)生，研究方向：樓宇智能化工程技術(shù)。