一種陽光角度測量裝置的設計

侯雷鳴，張 棟

（長安大學工程機械學院，陜西 西安 710064）

太陽能作為一種新型清潔能源具有眾多優點，但是太陽能又存在著利用率不高的缺點[1]。為了提高太陽能轉換效率，往往在太陽能電池板的底部配置跟蹤裝置及驅動裝置，跟蹤裝置及驅動裝置在不同的時間段驅動太陽能電池板轉動一定角度[2]。在轉動過程中，轉動角度往往不能準確測定，故需要一種能精確測定太陽能的最佳照射角度的裝置和方法，使太陽能電池板發揮最佳效果[3]。

1 研究背景

現有關于太陽能照射角度測定的方案有“GPS定位”“四象限光電式”和“光敏元件控制器”等，而“GPS定位”不僅系統成本高而且角度調整不能隨區域氣象條件實際調整；一般的“四象限光電式”跟蹤精度較低；“光敏元件控制”信號處理環節較多，誤差較大[4]。

筆者利用太陽能電池板不同光照角度下產生電壓不同的特點，設計一種成本低且控制環節少、精度高的太陽能照射角度測定裝置。

2 設計理念概述

為了實現對太陽角度的測量，測量裝置由互成角度的兩塊太陽能電池板組成，太陽能電池板同時連接低速精密電機，低速精密電機根據太陽能電池板產生的電壓差值，帶動太陽能電池組件朝著最佳的照射位置轉動，低速精密電機的尾端連接旋轉編碼器，旋轉編碼器輸出脈沖信號[5]，通過控制器讀取脈沖信號獲得太陽能電池組件的轉動角度，即陽光照射角度。

3 裝置結構示意圖及工作流程

3.1 結構示意圖

陽光角度測量裝置由太陽能組件和旋轉編碼器、低速精密電機等組成。俯視圖如圖1所示。

圖1 陽光角度測量裝置俯視圖

太陽能電池組件封裝在一個固定尺寸的透明玻璃四方體中，其內置可以自由轉動且成一定角度的兩塊太陽能電池板，透明玻璃四方體不僅可以透過陽光并且能夠防止外界環境的干擾；帶有旋轉編碼器的低速精密電機通過聯軸器與太陽能組件相連，低速電機轉動時會帶動旋轉編碼器并產生脈沖信號。陽光角度測量裝置正視圖如圖2所示，電路圖如圖3所示。

圖2 陽光角度測量裝置正視圖

圖3 陽光角度測量裝置電路圖

3.2 工作流程

當陽光以一定傾斜角度照射到太陽能電池板上，其未處于陽光最佳照射角度時，第一太陽能電池板和第二太陽能電池板的正極會產生電壓差。電壓差驅動低轉速精密電機輸出力矩，再帶動太陽能電池組件進行旋轉。當第一太陽能電池板受到的光照大于第二太陽能電池板時，第一太陽能電池板產生的電壓大于第二太陽能電池板，電機順時針旋轉，當第一太陽能電池板受到的光照小于第二太陽能電池板時，低轉速精密電機逆時針旋轉。

根據第一太陽能電池板和第二太陽能電池板產生電壓差的高低，可以產生不同大小的驅動力，當第一太陽能電池板和第二太陽能電池板產生較高的電壓差時，便產生較大的驅動力和轉動速度，從而帶動太陽能電池板組件快速朝著最佳的照射位置轉動。當接近陽光的最佳照射位置時，第一太陽能電池板和第二太陽能電池板會產生相對較低的電壓差，產生較小的驅動力和較低的轉動速度，帶動太陽能電池板組件精確地到達陽光最佳照射位置。低速精密電機轉動時帶動旋轉編碼器，旋轉編碼器輸出脈沖信號，通過控制器讀取脈沖信號就可得太陽能電池組件的轉動角度，即陽光照射角度。

4 結語

綜上所述，該測定裝置能夠實現陽光照射角度測定的閉環控制，控制環節少，控制精度高。同時相較于現有的其他追蹤系統，裝置結構簡單，造價低。太陽能電池板不同光照角度下產生的電壓不同，利用電壓差可驅動低速精密電機帶動太陽能電池組件朝著最佳的照射位置轉動，低速精密電機的尾端連接旋轉編碼器，旋轉編碼器輸出脈沖信號，讀取脈沖信號即可獲得陽光照射角度。