太陽能自動追光系統的節能技術研究

楊幟 張銘顯 孫天宇 趙晴 李金奪 彭曉旭

摘 要：為了更高效的采集并利用太陽能，緩解不可再生能源匱乏的問題，需要設計一種高效的太陽能自動追光裝置。本文設計了一種可用于多種供電環境下的太陽能自動追光裝置。追光方式采用視日追蹤與光電追蹤相結合的方式，根據系統時間與光強傳感器采集的數據精準判斷太陽位置，適用于各種天氣情況。在太陽能轉動方式上采用了雙軸驅動，使用減速電機和推桿電機推動太陽能板在水平和垂直兩個方向上轉動，提高了采光效率。并且選取了能耗極低的傳感器和電機，以降低系統功耗。經實驗驗證，自動追光方式比固定追光所接收的太陽能提升了近40%。可以將采集的太陽能供給其他用電環境，本裝置功耗低效率高，具有節能減排的作用和很高的社會效益。

關鍵詞：低功耗；雙軸追光；自動控制；節能減排；可再生能源

中圖分類號：TP273 文獻標志碼：A

0 引言

太陽能是一種可再生的清潔能源，同時我國的太陽能資源十分豐富，因此充分開發和利用太陽能可以很好地解決能源匱乏問題。在太陽能發電的系統中，太陽能板單位面積所接收的光照強度決定了太陽能板所吸收的實際能量。但目前市場上大多數是固定式太陽能板，研究表明，當使用同等面積、相同轉換率的太陽能板時，如果太陽能板能始終面向太陽光，太陽能板至少可以提高35%的接收效率，所以如何讓太陽能板隨太陽光移動是必須要解決的問題。

1 自動追光系統設計原理

整個系統由供電系統、單片機控制系統、感光系統和追光系統四部分組成，系統結構圖如圖1所示。系統采用了以下兩種追光方式相結合進行控制。

1.1 視日追蹤方式

要對太陽的運動進行準確描述，就需要用太陽的高度角和方位角進行表示。太陽的高度角和方位角示意圖如圖2所示。

太陽高度角和方位角可由當前時間和當地的緯度計算得到，計算方式如下：

①高度角的計算：

sinα=sinγsinβ+cosγcosβcosω （1）

式中：γ為太陽赤緯角；φ為當地的地理緯度角；ω為時角：ω=（T-12）×15°。

②方位角的計算：

（2）

依靠得到的方位角跟高度角便可決定太陽能板橫向與縱向的調整角度從而實現追光。

1.2 光電追蹤方式

采用6個光照強度傳感器，均勻分布在太陽能板的四周，每個長邊放置兩個，每個短邊放置1個。用這6個傳感器反饋的數據，根據權值分析，計算得到橫向差值與縱向差值，然后根據數值，通過PID控制電機驅動輸出PWM，分別實現對推桿電機和減速電機反饋控制。

2 系統分析與驗證

2.1 理論計算部分

本系統利用的太陽能板，長630mm，寬540mm，面積為0.3402m2。在不考慮當地的特殊天氣（如陰天）的影響時，每平方米太陽能板所接受的太陽能輻射量如：

SI=2∫T/2

0 α（Ψ）cosΨ''dt （3）

其中T是該月份的平均日長，α是空氣質量下的光照量。

當光線穿過大氣時會被部分吸收和散射，與法線夾角越大，經過的大氣長度越大，光線被散射和吸收的程度加劇，此時α的值減小。α的取值與角度Ψ（如圖3所示）的關系如下：

α=-4×10-6Ψ 3+0.0003Ψ 2-0.0078Ψ+1.0926 （4）

Ψ取決于Ψ'，Ψ'是中午時刻太陽在南北方向移動時與水平面法線形成的夾角。θ是太陽在東西方向移動時與水平面法線形成的夾角，這些角度之間的關系如下：

tan2Ψ=tan2Ψ+tan2θ （5）

其中

（6）

t=0對應日出時刻，t=T/2對應中午時刻。中午太陽角度的平均值Ψ'以及每個月份的日平均長度（從日出到日落）可查找相關資料得出。

φ為太陽能板相對于地面的南北夾角，如圖4所示，此時角度關系如下：

tan2Ψ''=tan2（Ψ'-φ）+tan2θ （7）

已知哈爾濱的緯度為45°，假定當前月份為四月，從附錄中查表可得： Ψ'=39°，T=12.64h，將這些量代入公式得

SI=6.053kW·h/m2 （8）

即在太陽能板固定不動時，太陽能板當月平均

每天接受的太陽輻射量為

6.053kW·h/m2×0.3402m2≈2.06kW·h （9）

當采用雙軸系統追光時，對光照傳感器采集到的光照強度進行分析，及時調整太陽能板角度，始終讓太陽光直射在太陽能板平面上，在東西方向上，相當于固定型太陽能裝置始終保持t=T/2，此時θ=0；在南北方向上，由幾何關系知，Ψ'=θ，即

Ψ''=0 （10）

所以cosΨ''=0，將已知量代入得

SI=10.005kW·h/m2 （11）

即采用雙軸系統追光時，太陽能板當月平均每天接受的太陽輻射量為

10.005kW·h/m2×0.3402m2≈3.40kW·h （12）

經上述理論計算可見，采用雙軸系統追光接受的太陽能輻射量與固定型太陽能板相比提高了將近40%。

2.2 實驗驗證部分

圖5為太陽能自動追光系統的實物圖，自動追光系統裝置外部尺寸為1500mm×1000mm×1200mm。

實驗驗證利用電壓表、電流表與功率表分別核算固定太陽能板和追光太陽能板的采光效率。

將裝置放在無遮擋的戶外進行實驗。從上午8點開始，固定式太陽能板和跟蹤式太陽能板（太陽能板技術參數：額定功率（W）：50、工作電壓（V）：18.2、工作電流（A）：2.7）同時發電，用萬用表測定太陽能板的電壓和電流，每隔30min讀取一次數據，連續照光9h，根據測出的功率數據作圖表示如圖6所示。

結論

本文從系統設計原理、分析與驗證和軟件流程3個方面介紹了整個太陽能自動追光裝置及節能減排驗證。從社會效益分析，太陽能追光系統適應了當前大力推廣太陽能發電的趨勢。經調研，用追光式太陽能板替代現有的固定式太陽能板，將帶來巨大的經濟效益。

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