太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究

趙旭，董實(shí)

（1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.中國石油大慶第二采油廠信息中心，黑龍江大慶163300）

太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)的研究

趙旭1，董實(shí)2

（1.東北石油大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，黑龍江大慶163318；2.中國石油大慶第二采油廠信息中心，黑龍江大慶163300）

通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的太陽能跟蹤系統(tǒng)的原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的控制所存在問題進(jìn)行了有效的研究，對中國的能源戰(zhàn)略有著深遠(yuǎn)意義。

太陽能；自動跟蹤；步進(jìn)電機(jī)

引言

太陽能跟蹤系統(tǒng)可以對太陽全方位跟蹤，具有兩個自由度的跟蹤能力。經(jīng)過黑夜或陰天后，只要太陽一出即可跟蹤，工作可靠穩(wěn)定。通過AT89S52芯片對橋式電路檢測到的結(jié)果進(jìn)行一系列的邏輯運(yùn)算后，進(jìn)而控制實(shí)時調(diào)整高度角和方位角的步進(jìn)電機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對太陽全方位跟蹤［1］。當(dāng)水平方向上的2路光敏電阻測量數(shù)值相對接近，同時豎直方向上的2路光敏電阻測量數(shù)值也相對接近時，說明此時太陽能板已經(jīng)正對太陽光［2-3］。該系統(tǒng)不僅能自動根據(jù)太陽光方向來調(diào)整太陽能電池板方向，結(jié)構(gòu)簡單、成本低，而且設(shè)置了手動跟蹤按鍵，防止在光電檢測模塊出現(xiàn)故障時，能夠手動跟蹤，有效地提高太陽能的利用率，有較好的推廣應(yīng)用價值。

1　太陽運(yùn)行規(guī)律

太陽相對地球的位置被稱為太陽的運(yùn)行軌跡，該軌跡上的坐標(biāo)位置可以由赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系兩種坐標(biāo)系統(tǒng)來描述。雙軸跟蹤系統(tǒng)的極軸式全跟蹤系統(tǒng)所采用的正是赤道坐標(biāo)系，高度角-方位角式全跟蹤則采用的是地平坐標(biāo)系。

1.1赤道坐標(biāo)系

所謂赤道坐標(biāo)系是指人從外太空的角度來觀測太陽相對地球的空間位置，由圖1所示，太陽相對于地球的空間位置是以地球赤道作為參考平面而言的，圖中赤緯角和時角分別δ和ω來表示。

圖1　赤道坐標(biāo)系

1.2赤緯角

由圖1可知，AO與OQ間的夾角為太陽赤緯角，其中AO為太陽光在地球表面的直射點(diǎn)與地球中心的連線；OQ為連線AO在赤道面上的投影。由于存在地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，太陽光在地球表面的垂直照射點(diǎn)會在赤道和南、北回歸線之間往復(fù)移動，因此直射點(diǎn)與地球中心連線與其在赤道面上的投影間的夾角也不斷改變［4］。一年中赤緯角的計算公式如下：

式中，δ——一年里第n天或離春分第d天的赤緯；

d——由春分日算起的第d天；

n——一年中的日期序號。

其中，春分和秋分時有δ=0，冬至日時的δ值為-23.5°，夏至日的δ值則為23.5°。

1.3時角ω

時角是用來刻畫因地球自轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的日-地相對位置變化的物理量，如果不存在地球自轉(zhuǎn)現(xiàn)象也就不存在時角。圖1中的點(diǎn)P為地球表面上的任意一點(diǎn)，其與地心的連線OP與OQ的夾角ω即為時角，其中OQ為P點(diǎn)所在地12點(diǎn)時日-地中心連線在赤道平面上的投影。地球自轉(zhuǎn)一周的角度為360°，所需時間為24 h，則每小時所對應(yīng)的時角為15°。若以正午的時角為零，并規(guī)定上午取正值、下午為負(fù)值，則時角在數(shù)值上等于某一時刻偏離正午的數(shù)值乘以15。那么在正午時時角為零，日出、日落時時角取得最大值。

2　系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)包括單片機(jī)模塊、光電傳感器、A/D轉(zhuǎn)換模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、供電模塊、手動控制電路模塊等幾個模塊［5］。本設(shè)計的方案的是將太陽能電池板一整塊從中間分成四塊，然后在分割線上插入3 cm的硬紙板，再在四小塊的太陽能電池板上安裝傳感器（盡量貼著紙板）組成四象限探測器，較以往的單個光敏傳感器跟蹤或單筒光敏傳感器探測器，其跟蹤效果精確而又穩(wěn)定，增強(qiáng)了其跟蹤的可靠性，蓄電電路、和供電電路都是基本的穩(wěn)壓電路。多傳感器設(shè)計思想解決了傳統(tǒng)的單個探測器一直存在的錯誤率高的問題、靈敏度低的缺點(diǎn)，增強(qiáng)了太陽能跟蹤系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)總體硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。下面分別對各個模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

圖2　總體硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

3　主程序的設(shè)計

系統(tǒng)的整個程序設(shè)計是采用模塊化程序結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，各功能模塊程序獨(dú)立設(shè)計、獨(dú)立調(diào)試，當(dāng)各個模塊的程序都調(diào)試通過后，在進(jìn)行聯(lián)調(diào)，這樣有利于程序的移植和修改，同時又有利于其他功能的擴(kuò)展。系統(tǒng)的程序設(shè)計主要分為主程序設(shè)計、A/D轉(zhuǎn)換的程序設(shè)計、光敏電阻數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計和太陽能追蹤子程序的設(shè)計。主程序主要是完成系統(tǒng)初始化后進(jìn)入循環(huán)檢測四路光強(qiáng)，根據(jù)反饋回來的四路電壓值進(jìn)行比較，判斷當(dāng)前對稱側(cè)的光照的亮度差是否達(dá)到定值，進(jìn)而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)調(diào)整太陽能板正對太陽。太陽能追蹤主程序流程框圖如圖3所示。

圖3　主程序流程圖

4　結(jié)語

本文通過對國內(nèi)外現(xiàn)有的太陽能跟蹤系統(tǒng)的原理和研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的控制所存在問題進(jìn)行了有效的研究，在太陽跟蹤控制系統(tǒng)原理的基礎(chǔ)上對閉環(huán)控制系統(tǒng)的執(zhí)行部件和反饋部件的選取進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計與說明［6］，進(jìn)而提出了基于單片機(jī)的具有實(shí)用性的太陽跟蹤控制方案，針對于現(xiàn)有的太陽能控制系統(tǒng)有效地解決其模擬控制適應(yīng)性差、數(shù)字控制價格昂貴、精度低等問題。

［1］馬正華，姚劉君.一種高精度雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計［J］.低壓電器，2011（16）:35-38.

［2］胖瑩，王振臣.太陽能智能追光裝置設(shè)計［J］.水電能源科學(xué)，2011，29（8）:207-210.

［3］李建昌，王紫瑄，侯雪艷，等.一種太陽能集熱器自動尋光系統(tǒng)設(shè)計［J］.可再生能源，2012，30（8）:24-27.

［4］賀曉雷，于賀軍，李建英，等.太陽方位角的公式求解及其應(yīng)用［J］.太陽能學(xué)報，2008，29（1）:69-73.

［5］王海鵬，鄭成聰，徐丹，等.基于單片機(jī)的太陽自動跟蹤裝置的設(shè)計與制作［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（19）:4 651-4 655.

［6］張翌猻.基于DSP的太陽跟蹤控制系統(tǒng)研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

（編輯：劉楠）

Research on Solar Panels Automatic Tracking System

Zhao Xu1，Dong Shi2
（1.Electrical and Information Engineering of Northeast Petroleum University，Daqing Heilongjiang 163318；2.Information Center of the Second Daqing Oil Production Plant，Daqing Heilongjiang 163300）

The domestic and foreign existing solar tracking system principle and research status are analyzed，and control of the automatic solar tracking system existence question has carried on the effective research，which has a far-reaching significance on China's energy strategy.

solar energy；automatic tracking；stepper motor

TM914.4

A

2095-0748（2015）21-0047-02

10.16525/j.cnki.14-1362/n.2015.21.21

2015-10-12

趙旭（1995—），女，黑龍江安達(dá)人，現(xiàn)就讀于東北石油大學(xué)石油工程學(xué)院。