太阳能自动跟踪器系统设计

太阳能自动跟踪器系统设计

张务义 李学凯 徐峰

山东英才学院 工学院 山东 济南 250000

摘要：人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点。但是太阳能又存在着低密度间歇性空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设备对太阳能的利用率不高，太阳能自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。采用光线自动跟踪的方式，使太阳能电池板的朝向始终精确跟随太阳位置的变化，保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，这样会大大提高发电效率。本文主要介绍太阳能跟踪控制系统的设计,该控制系统具有结构简单、稳定性好、精度高的特点。

关键词：太阳能；自动跟踪；能源；自动化；光伏发电

1系统总体结构

太阳能自动跟踪装置由四象限光电探测器、照度传感器、方位角跟踪机构、高度角跟踪机构和自动控制装置组成。方位角跟踪机构由电源、方位角传感器、放大器、执行器组成。执行器由步进电机和传动齿轮组成。方位角传感器由外壳与安装在外壳内的一对光电二极管组成。高度角跟踪机构由高度角传感器、放大器、执行器组成。执行器包括电机和传动齿条。高度角传感器的一对光电二极管与方位角传感器和照度传感器的光电二极管安装在一个传感器壳内。控制单元由运算放大器、晶体管和继电器组成，并与照度传感器、方位角和高度角传感驱动电机连接。（见图1）

2太阳能自动跟踪器工作原理

太阳能自动跟踪装置采用四象限光电探测器，该器件实际由四个光电探测器构成，每个探测器一个象限，器件由于象限化，当太阳光辐射到器件各象限的辐射通量相等时,各象限输出的光电流相等。而当光线发生偏移时,象限辐射量的变化将引起各象限输出光电流的变化,由此可测出太阳的方位并实现跟踪。跟踪方式采用光电跟踪与太阳视日运动轨迹跟踪相结合,可加强系统的稳定性，步骤如下：
步骤1 通过太阳视日运动轨迹跟踪,将系统带入一个预知的足够小的范围内,再启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

步骤2 开机后光电检测电路检测白天还是黑夜。当检测为黑夜时系统停止运行;若检测为白天,系统进行初始化。

步骤3 初始化完成后进入视日运动轨迹跟踪,使其到达光电跟踪的视场范围内,再根据光电二极管的检测结果启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。该跟踪系统晴天时按光电检测跟踪方式跟踪;阴天时系统自动转入视日运动轨迹跟踪方式继续跟踪;当阴天过后出现晴天时,系统又自动转入光电跟踪模式跟踪。这两种跟踪方式相互补充,提高了太阳跟踪器的精度。由于四象限探测器暗电流小、线性度高、响应时间快,因此与用光电池跟踪器相比具有跟踪精度高、响应时间快、不需进行中心点标定等优点,完全实现了光电跟踪。

3光电探测器

本
文采用的是四象限光电探测器（如下图所示），它的工作原理是目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，一般将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上（也就知道了目标的方位）。在各个象限分别产生的光电流，经前置放大器放大后传送至信号处理模块。该处理模块内包含4路AD转换器及一片单片机，4路光信号在MCU的控制下，经过AD转换成为数字信号后，从USB接口传输至计算机处理。四象限光电探测器用来检测太阳的方位角和高度角，只要太阳光线与太阳能集能器的开口平面不是90°，传感器就输出偏差信号。若在四象限光电探测器前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ角来。从而让太阳能自动跟踪器对太阳光进行自动跟踪。照度传感器是用来检测太阳的辐照强度，当太阳的辐照度低于或高于工作照度时就输出关机或开机信号。如果太阳的辐照强度低于工作照度，则控制单元不工作，放大器和执行器的工作电源不接通,执行器不工作;当太阳辐照强度达到工作照度时，控制单元开始工作，执行器启动执行。

4 机械部分设计
机械结构主要包括步进电机、底座、转轴、齿轮和齿圈等。当太阳光线发生偏离时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动齿轮转动，齿轮带动大齿轮和转轴转动，实现水平方向跟踪;同时控制信号驱动步进电机2带动丝杆转动，丝杆和螺母带动太阳能板实现垂直方向转动。通过步进电机1和步进电机2的共同工作，该装置便能够实现对太阳的精准跟踪。

5太阳视日运动轨迹跟踪

本装置采用的是双轴跟踪。双轴跟踪可以分为两种方式:极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。极轴式全跟踪原理如图2所示。聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面只须绕极轴用与地球自转角速度大小相同方向相反的固定转速，以跟踪太阳的视日运动。此外再按照季节的变化间断地将反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，只是反射镜的重量并不通过极轴轴线，使极轴支承装置的设计比较困难。

图2 极轴式全跟踪原理图

6控制部分设计
控制部分主要包括传感器部分、信号转换电路、单片机系统和电机驱动电路等（见下图）。系统采用光电检测追踪模式实现对太阳的跟踪。传感电阻分别放置于一块电池板东西方向边沿处下方。当两个光敏电阻接收到的光强度.不相同时，通过运放比较电路将信号送给单片机，驱动步进电机正反转，实现电池板对太阳的跟踪。

控制流程图

结语：本文建立了一个太阳能跟踪系统，系统选择四象限光电探测器作为感受原件、单片机作为主控、两个步进电机作为执行机构。实现了对太阳的实时准确跟踪。该太阳跟踪系统稳定可靠、灵敏度高、抗风性能好、实用性强,可实现大范围全天候的对太阳跟踪。本设计方案适用于太阳能电池板的实际应用, 易于推广, 为提高太阳光的利用率提供了重要依据。