斜單軸太陽能跟蹤裝置

張治國 王茹玉

摘 要：提高太陽能發(fā)電效率，一方面研發(fā)新材料的太陽能板，另一方面提高轉(zhuǎn)換效率；太陽能跟蹤裝置是解決辦法之一。太陽跟蹤裝置是一種能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置，主要功能是實現(xiàn)光伏電池輸出功率最大化。斜單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)主要包括：光強(qiáng)檢測模塊、控制器、白天黑夜檢測模塊、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動模塊、支架等系統(tǒng)組成。

關(guān)鍵詞：跟蹤系統(tǒng)控制方法；光強(qiáng)度檢測；步進(jìn)電機(jī)控制和驅(qū)動

隨著人類社會的進(jìn)步，人類社會高度依賴能源，對化石燃料的開采和消耗，而化石燃料不可再生，能源危機(jī)日益凸顯。如何解決能源危機(jī)成為擺在人類面前的一道難題。一方面提高能源的利用率；二是節(jié)省能源；但是這些措施治標(biāo)不治本；從根本解決能源危機(jī)的方法是開發(fā)新能源。太陽能既是清潔能源而且可再生能源。它遍布全球，使用免費而且不需要運輸，對環(huán)境沒有任何的污染。太陽能沒有地域的限制，無論陸地、海洋、高山或盆地等到處分布，并且直接可以開發(fā)和利用。每年照射到到達(dá)地球表面上的太陽能相當(dāng)于130萬億噸煤釋放的能量，其總量居人類可開發(fā)的能源之首。以目前太陽能核反應(yīng)的速率，太陽的壽命越上百億年，從這個時間上來講，太陽能是一種屈指不經(jīng)用之不竭的能源，目前應(yīng)用已經(jīng)非常的廣泛。但太陽能容易受到天氣變化的影響具有不穩(wěn)定性，地球自轉(zhuǎn)導(dǎo)致晝夜交替使太陽能具有間歇性，地球公轉(zhuǎn)導(dǎo)致空間分布具有時變性；如何更加高效的利用太陽能以及提高太陽能的利用率？一直是人們追求的目標(biāo)。太陽能跟蹤裝置是解決辦法之一。跟蹤太陽可使接收器接受效率大幅度提高。

太陽每天東升西落，每年南北位置也在緩慢變化，這種變化隨著時間和緯度的變化而變化；通常用高度角、方位角來表述。高度角指的是太陽光線與地表水平面得之間的夾角，方位角指的是是樹立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方向的夾角。太陽跟蹤裝置就是一種使太陽能電池板正對太陽，使太陽光垂直照射到太陽能電池板的裝置，主要目的使太陽能電池板電能輸出功率最大化。

目前太陽能自動跟蹤裝置從控制方法有勻速控制方法、光強(qiáng)度控制方法、時空控制方法以及混合控制方法；從機(jī)械結(jié)構(gòu)方面分為單軸自動跟蹤方式、雙軸自動跟蹤方式。

勻速控制方法指地球的自轉(zhuǎn)速度是恒定的，可以認(rèn)為從東升起，向西運動；太陽在方位角上以15度每小時勻速運動，24小時運動一周，讓太陽能電池板以地球自轉(zhuǎn)角15度每小時轉(zhuǎn)動。

光強(qiáng)度控制方法是利用光傳感器來檢測空間光線的強(qiáng)度，判斷太陽位置，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動支架進(jìn)行追蹤從而太陽能電池板正對太陽。

時空控制方法是根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯坐標(biāo)和時間，利用天文學(xué)計算公式，計算太陽所處空間位置，然后驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動支架進(jìn)行追蹤從而太陽能電池板正對太陽。

單軸自動跟蹤方式指太陽能板的南北方向固定不動，而東西方向根據(jù)太陽的位置控制電機(jī)驅(qū)動使其旋轉(zhuǎn)。

雙軸自動跟蹤方式指太陽能板在南北、東西兩個方向根據(jù)太陽的位置控制太陽能板旋轉(zhuǎn)。

在上述介紹的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種定時檢測光強(qiáng)度的斜單軸跟蹤裝置。而目前光伏系統(tǒng)中，出于成本和可靠考慮，太陽能電池板采用朝南固定安裝，但是這種安裝方式大大降低了太陽能電池板在一天之內(nèi)的有效發(fā)電的時間，該裝置提高光電轉(zhuǎn)換的效率，結(jié)構(gòu)簡單易安裝，并且電路簡單，；但容易受天氣變化的影響。根據(jù)查閱實驗數(shù)據(jù)可知，平單軸能提高10%—20%的發(fā)電量，斜單軸自動跟蹤裝置能提高20%—25%的發(fā)電量。

1 系統(tǒng)組成及功能分析

斜單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)主要包括以下模塊：光強(qiáng)度檢測模塊、控制器模塊、白天黑夜檢測模塊、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動模塊、支架系統(tǒng)等系統(tǒng)組成如下圖所示：

光強(qiáng)檢測模塊主要用來檢測太陽能電池板在東西方向是否正對太陽，從而調(diào)整太陽能電池板的方位角。本設(shè)備選用光敏電阻作為太陽位置的敏感元件。在太陽能電池板東西兩側(cè)垂直板面各安裝一塊。當(dāng)兩個光敏電阻的感光量相等，輸出電壓相等，電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。若太陽能電池板那側(cè)感光量強(qiáng)，則對應(yīng)側(cè)光敏電阻輸出的電壓高，電壓信號經(jīng)過放大電路放大后送入單片機(jī)，經(jīng)過單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過對兩個數(shù)值的比較，若左右兩側(cè)的電壓值差的絕對值超過一定范圍時，則單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動太陽能電池板朝電壓較高的一側(cè)旋轉(zhuǎn)，直至兩側(cè)電壓差在程序設(shè)定范圍內(nèi)，最終達(dá)到太陽能電池面板在東西方向正對太陽，從而使太陽能電池板電能輸出功率最大化。電路如下：

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊中步進(jìn)驅(qū)動器接收到單片機(jī)發(fā)送的一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。本次設(shè)計選用的是四相六線制85BYG11450A型步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)的工作電壓為4.4V，步進(jìn)電機(jī)的步距角1.8°±5%。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動芯片選用CW-250AC，VC為電源的兩個接線端子，工作電壓為24V-60V。電路圖如下：

白天黑夜檢測模塊功能如下：當(dāng)處在白天時，D1在光照下使其導(dǎo)通，輸出高點位，當(dāng)檢測到端口為高電平時，啟動光電跟蹤模式；當(dāng)處在黑夜時，D1沒有光照截至，輸出低電平，當(dāng)檢測到端口為低電平時，循環(huán)繼續(xù)檢測。

系統(tǒng)控制部分采用51單片機(jī)，采用單片機(jī)的最小系統(tǒng)。首先控制器接受到來自檢測模塊發(fā)來的信號，通過程序來判斷，進(jìn)而輸出信號控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片根據(jù)接受到的命令來控制步進(jìn)電機(jī)來帶動太陽能電池板達(dá)到跟蹤太陽的目的。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計模塊

斜單軸太陽能跟蹤裝置軟件模塊的設(shè)計思想是程序初始化，首先檢測是白天還是黑夜，如果黑夜繼續(xù)等待，若是白天則啟動光電跟蹤模塊；檢測左右兩側(cè)的電壓是否相等，不等啟動電機(jī)轉(zhuǎn)動，執(zhí)行完畢后，再進(jìn)行檢測，并循環(huán)進(jìn)行。具體控制流程如圖所示：

參考文獻(xiàn)：

[1]張永興.單軸太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計[J].光電技術(shù)應(yīng)用，2010，25（4）.

[2]李鵬萬.太陽能自動跟蹤裝置控制系統(tǒng)設(shè)計[D].新疆：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2016.

作者簡介：張治國（1985-），男，陜西西安人，主要從事電學(xué)、教育方面的研究；王茹玉（1987-），女，陜西西安人，主要從事電學(xué)、教育方面的研究。