太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研究

李翠萍 汪新浩

【摘 要】隨著世界對能源的需求量不斷增加，我們僅僅以傳統(tǒng)的能源來維持日益增長的能源需求是不夠的，而如今包括太陽能在內(nèi)的可再生資源將會(huì)越來越受到人們的重視。我國幅員遼闊，太陽能資源十分豐富，太陽能在新能源中具有很大的優(yōu)勢，因此研究和開發(fā)太陽能對環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展有很深遠(yuǎn)的意義。本文研究一種太陽能電池板的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，可以最大限度的利用光能、儲備光能，及對環(huán)保能源開采和環(huán)境保護(hù)有重要的研究價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】太陽能 單軸自動(dòng)跟蹤 模糊控制 節(jié)能發(fā)電

隨著石油、煤炭、天然氣等化石能源的逐漸匱乏以及人類生存環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，人類急需尋找可再生清潔新能源。太陽能因其普遍存在、儲量無限、清潔、經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，成為最具發(fā)展?jié)摿Φ目稍偕鍧嵞茉矗夥l(fā)電是利用太陽能的重要方式之一。因此，研究太陽能電池板追日自動(dòng)跟蹤具有重要意義，它不僅能提高光伏發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，還將進(jìn)一步促進(jìn)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1 自動(dòng)追蹤系統(tǒng)原理及整體方案

本文論述的系統(tǒng)是一種單軸太陽能電池板自動(dòng)跟蹤追日系統(tǒng)，主要包括機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械裝置由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以使電池板水平方向角為0°- 180°，控制部分主要由單片機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，單片機(jī)系統(tǒng)具有成本低，智能化程度高，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，由單片機(jī)系統(tǒng)配合外圍的電路元件實(shí)現(xiàn)對太陽能電池板的控制。垂直方向角變化不大，可手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，使太陽能電池保持較大的發(fā)電功率。

1.1 追蹤傳感器模塊分析

追蹤傳感器主要經(jīng)由四顆特性相近光敏電阻構(gòu)成，負(fù)責(zé)偵測東西南北四個(gè)方向的光源強(qiáng)

度，于各方向均有一個(gè)光敏電阻，并以45度角朝向光源處，并將該方向設(shè)置基座以將該方向以外的光線隔離，以達(dá)到快速判別太陽位置的廣角式搜索。四個(gè)傳感器分為兩組，一組是兩個(gè)光敏電阻做為東西向的傳感器，用以比較東西向受光強(qiáng)度的差異。當(dāng)東西向的傳感器接受到的光源強(qiáng)度不一致時(shí)，系統(tǒng)會(huì)依據(jù)東西向兩傳感器輸出電壓得到信號，使用電壓型模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換（A/D Converter）、IC（ADC0804）判讀到的傳感器輸出電壓數(shù)值的不同，判斷該方向的受光較強(qiáng)，并且驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)朝向該方前進(jìn)，當(dāng)東西向傳感器輸出值相等時(shí)，則輸出的差值為零、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓亦為零，即追蹤到太陽目前的位置。另一組的南北向傳感器，則是相似的原理，用來追蹤太陽在南北向的位置。

1.2 單片機(jī)控制模塊分析

本系統(tǒng)需要在東西、南北兩個(gè)方向上對太陽光照射角進(jìn)行跟蹤，跟蹤方式可由太陽照射規(guī)律進(jìn)行設(shè)計(jì)。跟蹤系統(tǒng)需要單片機(jī)通過對時(shí)間進(jìn)行判斷、比較和提取，再按照不同的時(shí)間控制步進(jìn)電機(jī)使太陽能電池板進(jìn)行相應(yīng)的角度改變。

太陽能電池板與蓄電池之間需要控制器進(jìn)行連接，以控制在不同的情況下蓄電池的充放電情況。如夜間、陰雨天等情況下太陽能電池板無法提供電能，此時(shí)即需要控制器阻止蓄電池向電池板放電。因此，在本系統(tǒng)中，控制器是必不可少的器件。

2 模糊控制算法在本系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 太陽能電池板模糊控制算法

太陽追蹤裝置的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)雖然在角度的轉(zhuǎn)動(dòng)上能獨(dú)立運(yùn)作，沒有耦合上的困擾，但是在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的問題上，無可避免的，一定會(huì)有非線性的現(xiàn)象存在（這是立體轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)共有的問題）。因此，電機(jī)的閉回路控制必然是需要的。在轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的控制上，雖然有非線性的現(xiàn)象存在，但是太陽追蹤裝置所要求的轉(zhuǎn)動(dòng)速度因?yàn)樘栆苿?dòng)緩慢的關(guān)系并不需要太快。所以，模糊控制法則足夠用來控制電機(jī)的運(yùn)作，可以使得系統(tǒng)的控制機(jī)制有很大的可調(diào)變性和快速反應(yīng)能力。我們將采用模糊控制理論來做為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)于硬件控制電路的實(shí)現(xiàn)，將使用硬件描述語言（VHDL、Verilog等）把控制程序加載Nios II微處理器中作為控制核心，再搭配傳感器、譯碼器等，形成完整的控制回路，這樣的安排可以使得系統(tǒng)發(fā)電量效能達(dá)到最佳。

2.2 模糊控制器算法的實(shí)現(xiàn)分析

本研究所設(shè)計(jì)控制器采用傳感器接收光的強(qiáng)弱的測量值做為回授，經(jīng)過一次次的修正，最后達(dá)到控制目的。光敏電阻的電阻值隨著光強(qiáng)弱大小經(jīng)由ADC轉(zhuǎn)換所得到的分壓電壓值大小，由垂直（南北）及水平（東西）方向兩軸的誤差，模糊控制以這兩組的誤差分別作為模糊控制的輸入。

整個(gè)模糊控制器的設(shè)計(jì)，大致上可分為五個(gè)步驟來進(jìn)行設(shè)計(jì)：

步驟1. 首先，先定義輸入變數(shù)、輸出變數(shù)及語意上的變數(shù)，其中各語意變量分別為：

輸入出變量的選擇（本研究其中一軸選擇輸入變量為e，而輸出變量則為u，定義所選擇的1個(gè)語言變量分別為5個(gè)三角形歸屬函數(shù)。）

步驟2. 根據(jù)先前所定義的語意上變數(shù)，來建立輸入歸屬函數(shù)。

步驟3. 建立模糊規(guī)則庫是最重要的一部份，因?yàn)樗械臓顟B(tài)都必須根據(jù)我們所定義的規(guī)則庫的規(guī)則進(jìn)行操作，所以制定一個(gè)好的規(guī)則庫是相當(dāng)重要的，若要順利構(gòu)建一個(gè)模糊規(guī)則庫，在此采用5條模糊控制規(guī)則，此5條控制規(guī)則是以“if…then…”陳述的模糊控制規(guī)則來表示。

步驟4. 定義其模糊推論引擎，模糊推論的方法有許多種，且不同的模糊推論會(huì)得到不一樣的推論結(jié)果，而本文在此是藉由Mamdani所提出的重心法（center of gravity or center ofarea），來作為解模糊化（Defuzzification）的工具，其主要原因?yàn)檫@種方法較為簡單而且可靠度高。

步驟5. 最后一個(gè)步驟，是將模糊推論引擎所推算出的結(jié)果，在經(jīng)由解模糊化的過程，轉(zhuǎn)換為精確的數(shù)值。

3 結(jié)語

綜上所述，太陽能電池板單軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)對于充分利用太陽能這種可持續(xù)發(fā)展的新能源具有重要意義。通過使用控制精度較高的光敏電阻作為追蹤傳感器，并把輸出電壓信號送給單片機(jī)進(jìn)行比較，進(jìn)而利用模糊控制理論作為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的理論基礎(chǔ)，進(jìn)而控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)改變電池板的方向，以其最大程度吸收太陽能，提高太陽能的利用率。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張強(qiáng)，吳紅星，謝宗武.基于單片機(jī)的電機(jī)控制技術(shù).中國電力出版社，2008.

[2] 孫茵茵，鮑劍斌，王凡.太陽自動(dòng)跟蹤器的研究.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2005.

[3] 郭廷瑋，劉建民.太陽能的利用.北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1987.