太陽能電池板自動跟蹤系統的研究

趙旭，董實

（1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國石油大慶第二采油廠信息中心，黑龍江大慶163300）

太陽能電池板自動跟蹤系統的研究

趙旭1，董實2

（1.東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318；2.中國石油大慶第二采油廠信息中心，黑龍江大慶163300）

通過對國內外現有的太陽能跟蹤系統的原理和研究現狀進行分析，并對太陽能自動跟蹤系統的控制所存在問題進行了有效的研究，對中國的能源戰略有著深遠意義。

太陽能；自動跟蹤；步進電機

引言

太陽能跟蹤系統可以對太陽全方位跟蹤，具有兩個自由度的跟蹤能力。經過黑夜或陰天后，只要太陽一出即可跟蹤，工作可靠穩定。通過AT89S52芯片對橋式電路檢測到的結果進行一系列的邏輯運算后，進而控制實時調整高度角和方位角的步進電機，從而實現對太陽全方位跟蹤［1］。當水平方向上的2路光敏電阻測量數值相對接近，同時豎直方向上的2路光敏電阻測量數值也相對接近時，說明此時太陽能板已經正對太陽光［2-3］。該系統不僅能自動根據太陽光方向來調整太陽能電池板方向，結構簡單、成本低，而且設置了手動跟蹤按鍵，防止在光電檢測模塊出現故障時，能夠手動跟蹤，有效地提高太陽能的利用率，有較好的推廣應用價值。

1　太陽運行規律

太陽相對地球的位置被稱為太陽的運行軌跡，該軌跡上的坐標位置可以由赤道坐標系和地平坐標系兩種坐標系統來描述。雙軸跟蹤系統的極軸式全跟蹤系統所采用的正是赤道坐標系，高度角-方位角式全跟蹤則采用的是地平坐標系。

1.1赤道坐標系

所謂赤道坐標系是指人從外太空的角度來觀測太陽相對地球的空間位置，由圖1所示，太陽相對于地球的空間位置是以地球赤道作為參考平面而言的，圖中赤緯角和時角分別δ和ω來表示。

圖1　赤道坐標系

1.2赤緯角

由圖1可知，AO與OQ間的夾角為太陽赤緯角，其中AO為太陽光在地球表面的直射點與地球中心的連線；OQ為連線AO在赤道面上的投影。由于存在地球的自轉與公轉，太陽光在地球表面的垂直照射點會在赤道和南、北回歸線之間往復移動，因此直射點與地球中心連線與其在赤道面上的投影間的夾角也不斷改變［4］。一年中赤緯角的計算公式如下：

式中，δ——一年里第n天或離春分第d天的赤緯；

d——由春分日算起的第d天；

n——一年中的日期序號。

其中，春分和秋分時有δ=0，冬至日時的δ值為-23.5°，夏至日的δ值則為23.5°。

1.3時角ω

時角是用來刻畫因地球自轉所導致的日-地相對位置變化的物理量，如果不存在地球自轉現象也就不存在時角。圖1中的點P為地球表面上的任意一點，其與地心的連線OP與OQ的夾角ω即為時角，其中OQ為P點所在地12點時日-地中心連線在赤道平面上的投影。地球自轉一周的角度為360°，所需時間為24 h，則每小時所對應的時角為15°。若以正午的時角為零，并規定上午取正值、下午為負值，則時角在數值上等于某一時刻偏離正午的數值乘以15。那么在正午時時角為零，日出、日落時時角取得最大值。

2　系統總體設計

系統總體結構包括單片機模塊、光電傳感器、A/D轉換模塊、步進電機控制模塊、供電模塊、手動控制電路模塊等幾個模塊［5］。本設計的方案的是將太陽能電池板一整塊從中間分成四塊，然后在分割線上插入3 cm的硬紙板，再在四小塊的太陽能電池板上安裝傳感器（盡量貼著紙板）組成四象限探測器，較以往的單個光敏傳感器跟蹤或單筒光敏傳感器探測器，其跟蹤效果精確而又穩定，增強了其跟蹤的可靠性，蓄電電路、和供電電路都是基本的穩壓電路。多傳感器設計思想解決了傳統的單個探測器一直存在的錯誤率高的問題、靈敏度低的缺點，增強了太陽能跟蹤系統的可靠性。系統總體硬件電路結構框圖如圖2所示。下面分別對各個模塊進行詳細的介紹。

圖2　總體硬件電路結構框圖

3　主程序的設計

系統的整個程序設計是采用模塊化程序結構進行設計，各功能模塊程序獨立設計、獨立調試，當各個模塊的程序都調試通過后，在進行聯調，這樣有利于程序的移植和修改，同時又有利于其他功能的擴展。系統的程序設計主要分為主程序設計、A/D轉換的程序設計、光敏電阻數據處理程序設計和太陽能追蹤子程序的設計。主程序主要是完成系統初始化后進入循環檢測四路光強，根據反饋回來的四路電壓值進行比較，判斷當前對稱側的光照的亮度差是否達到定值，進而驅動步進電機調整太陽能板正對太陽。太陽能追蹤主程序流程框圖如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

4　結語

本文通過對國內外現有的太陽能跟蹤系統的原理和研究現狀進行分析，并對太陽能自動跟蹤系統的控制所存在問題進行了有效的研究，在太陽跟蹤控制系統原理的基礎上對閉環控制系統的執行部件和反饋部件的選取進行相應的設計與說明［6］，進而提出了基于單片機的具有實用性的太陽跟蹤控制方案，針對于現有的太陽能控制系統有效地解決其模擬控制適應性差、數字控制價格昂貴、精度低等問題。

［1］馬正華，姚劉君.一種高精度雙軸太陽能自動跟蹤系統的設計［J］.低壓電器，2011（16）:35-38.

［2］胖瑩，王振臣.太陽能智能追光裝置設計［J］.水電能源科學，2011，29（8）:207-210.

［3］李建昌，王紫瑄，侯雪艷，等.一種太陽能集熱器自動尋光系統設計［J］.可再生能源，2012，30（8）:24-27.

［4］賀曉雷，于賀軍，李建英，等.太陽方位角的公式求解及其應用［J］.太陽能學報，2008，29（1）:69-73.

［5］王海鵬，鄭成聰，徐丹，等.基于單片機的太陽自動跟蹤裝置的設計與制作［J］.科學技術與工程，2010，10（19）:4 651-4 655.

［6］張翌猻.基于DSP的太陽跟蹤控制系統研究［D］.上海:上海交通大學，2008.

（編輯：劉楠）

Research on Solar Panels Automatic Tracking System

Zhao Xu1，Dong Shi2
（1.Electrical and Information Engineering of Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318；2.Information Center of the Second Daqing Oil Production Plant，Daqing Heilongjiang 163300）

The domestic and foreign existing solar tracking system principle and research status are analyzed，and control of the automatic solar tracking system existence question has carried on the effective research，which has a far-reaching significance on China's energy strategy.

solar energy；automatic tracking；stepper motor

TM914.4

A

2095-0748（2015）21-0047-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.21

2015-10-12

趙旭（1995—），女，黑龍江安達人，現就讀于東北石油大學石油工程學院。