光伏發電太陽跟蹤裝置設計

張瑋瑋，董昭（安陽工學院，河南安陽455000）

光伏發電太陽跟蹤裝置設計

張瑋瑋，董昭
（安陽工學院，河南安陽455000）

在了解日地相對運動規律的基礎上，采用光電傳感跟蹤和視日運動軌跡跟蹤相結合的方法，設計了自適應太陽跟蹤裝置控制系統。實驗表明，該裝置提高了對多變環境的適應能力和跟蹤精度，實現了全天候全自動的太陽跟蹤。

光電傳感跟蹤；視日運動軌跡跟蹤；自適應

太陽能光伏發電成為解決未來能源危機的重要途徑，但發電轉換效率很低極大地限制了它的應用和發展。太陽自動跟蹤是解決這一問題的一種可行的方法，其原理就是根據一天中不同時刻太陽在天空中方位的變化，調整太陽能利用裝置的偏轉角度，從而跟蹤太陽的偏移，使太陽入射光線時刻垂直照射，使太陽輻射能量得到充分接收。太陽跟蹤裝置控制系統可大大提高接收裝置的熱效率，提高太陽能的利用率。

1　設計思路

將視日運動軌跡跟蹤和光電傳感跟蹤的特點相結合，采取視日運動軌跡跟蹤開環控制和光電傳感跟蹤閉環控制的混合控制的策略，發揮各自優勢。當遇到陰雨等天氣情況時，光強太弱致使光敏二極管無法導通，系統自動跳到視日運動軌跡跟蹤方式進行跟蹤，天氣轉好后自動跳回光電傳感跟蹤，此方案發揮了光電傳感跟蹤的靈敏度高的優點，同時合理地利用了太陽運動軌跡跟蹤方式，最大程度降低跟蹤裝置因天氣帶來的誤操作。設定跟蹤時間，根據地域不同使用軟件改寫，降低累積誤差，提高跟蹤精度。筆者所在的安陽地區7:00之前和20:00之后太陽光照比較弱，固定式和跟蹤式太陽能的采集量大體相同，因此采用控制系統復位后進入休眠等待模式，在此時間區間跟蹤裝置固定不動，更大程度的節約能源。

太陽跟蹤裝置控制系統的工作原理：設置前端光電傳感檢測電路對白天還是黑夜做出判斷，若是白天，運行編寫的程序，若是黑夜，響應中斷程序，并自動復位到早晨太陽升起的位置，使跟蹤裝置處于待機的休眠狀態，降低了系統的耗能。在白天時，再次判斷太陽光強度，判定出晴天還是陰天，在天氣晴朗時采用光電傳感跟蹤模式，在陰天時采用視日運動軌跡跟蹤模式，采用光電傳感—信號采集和處理—驅動芯片—驅動步進電機—太陽能采集板轉動—反饋調整，使用兩個步進電機，進而驅動太陽光接收裝置轉動，實現全天候全自動實時跟蹤。

2　控制系統設計

太陽跟蹤裝置控制系統采用視日運動軌跡跟蹤開環控制和光電傳感跟蹤閉環控制的混合控制的策略，包括軟件程序的設計、硬件電路的設計和機械傳動跟蹤平臺的設計。

2.1軟件程序的設計

整個控制系統的程序設計包括光電傳感跟蹤程序設計、視日運動軌跡跟蹤程序設計、時鐘電路程序設計、顯示模塊程序的設計、復位電路程序的設計等部分。程序主流程圖如圖1所示，視日運動軌跡跟蹤程序流程圖如圖2所示。

整個程序的運行順序是：首先判斷晝夜的變化，若是黑夜啟動中斷程序，復位到第二天太陽升起的方向，然后使系統進入等待休眠狀態。如果不是，就進入陰晴判斷程序；陰天時，系統視日運動軌跡跟蹤方式；如果是晴天，采用光電傳感跟蹤方式。

2.2硬件電路的設計

太陽跟蹤裝置的硬件電路包括單片機最小系統電路、晶振電路、復位電路、時鐘電路、LCD顯示電路、手動調節電路、光電判斷跟蹤電路、步進電機驅動電路，光電跟蹤電路又包括判晝夜電路、判陰晴電路、晴天光電傳感電路。太陽跟蹤裝置控制系統的總體設計原理圖如圖3所示，步進電機驅動電路如圖4所示。

2.3機械傳動跟蹤平臺的設計

太陽跟蹤裝置控制系統的傳動機構有兩大部分：①蝸輪蝸桿的傳動設計，控制調整高度角的步進電機采用蝸輪傳動，蝸輪傳動可獲得很大的傳動比，傳動工作平穩，傳動比精確，當蝸輪的導程角小于當量摩擦角時，蝸輪傳動實現自鎖，因傳遞運動的精確性、平穩性、載荷分布的均勻性使使太陽能電池板隨外界環境的變化影響減小，晃動減小，使工作更穩定。②齒輪的傳動設計，利用齒輪相互嚙合傳遞動力和運動的機械傳動，齒輪傳動平穩，傳動比精確，工作可靠。機械傳動跟蹤平臺的整體設計圖如5所示。

3　結論

本文是基于單片機的自適應太陽跟蹤裝置控制系統，采用視日運動軌跡跟蹤為主、光電傳感跟蹤作為校正的混合跟蹤模式，隨太陽位置的不斷變化，使太陽跟蹤裝置可以繞垂直的兩個軸向轉動，根據太陽光線的變化自動調整集熱板或電池板的轉動，使太陽跟蹤裝置時刻垂直太陽光線，更好地應對多變的天氣和復雜的環境，有較好的應用前景和推廣價值。

[1](日)坂本正文.步進電機應用技術[M].王自強，譯.北京：科學出版社，2010．

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(責任編輯：趙建周）

TP23

A

1673-2928（2015）02-0025-03

2014-09-27

張瑋瑋（1980-），女，河南安陽人，安陽工學院講師，碩士研究生，主要研究方向為智能控制、自動控制、網絡技術等。