一種新型太陽能電池板自動(dòng)跟蹤器設(shè)計(jì)與實(shí)踐

籍遠(yuǎn)明+胡建萍

摘 要：為高效利用太陽能，本文提出一種以C52單片機(jī)為控制核心的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)方法，利用齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，舵機(jī)作為動(dòng)力元件，結(jié)合C52單片機(jī)對(duì)其它部分的控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)行條件，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤太陽效果，研究表明：帶有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的電池板較固定電池板太陽能接收效率高出38%，提高了太陽能的光電轉(zhuǎn)換效率。

關(guān)鍵詞：太陽能；自動(dòng)跟蹤；C52單片機(jī)；光電跟蹤

中圖分類號(hào)：TK519 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）09-0074-01

1 引言

太陽能是地球上最普遍、最直接、最清潔的能源。太陽能電池是根據(jù)光生伏特效應(yīng)，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能的裝置。我國太陽能資源豐富、分布廣泛，光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)應(yīng)用前景廣闊。然而很多太陽能電池板陣列都是固定的，不能充分利用太陽能資源，發(fā)電效率低下，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是提高太陽能效率的重要方法之一。所謂太陽能跟蹤系統(tǒng)是讓太陽能電池板時(shí)時(shí)正對(duì)太陽，讓太陽的光線隨時(shí)垂直照射太陽能電池板的動(dòng)力裝置，它能顯著提高太陽能光伏組件的發(fā)電效率。本文提出的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是一個(gè)以視日軌跡跟蹤和光電跟蹤所組成的綜合跟蹤系統(tǒng)，利用齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，舵機(jī)作為動(dòng)力元件，結(jié)合C52單片機(jī)對(duì)其它組成部分的控制，實(shí)現(xiàn)太陽能電池板自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的操作。

2 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)組成部分主要包括控制系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和C52單片機(jī)，利用C52單片機(jī)控制各部分協(xié)同工作，在C52單片機(jī)中植入數(shù)據(jù)使得太陽的直射角度變化時(shí)，控制系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)，單片機(jī)處理后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得太陽能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)到太陽光直射位置。利用反饋，到達(dá)直射位置后，C52單片機(jī)發(fā)送停止命令，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

控制系統(tǒng)采集太陽光直射位置數(shù)據(jù)傳輸給C52單片機(jī)，單片機(jī)處理數(shù)據(jù)將轉(zhuǎn)動(dòng)命令發(fā)送到舵機(jī)，控制舵機(jī)旋轉(zhuǎn)一定的角度后停止。利用光電系統(tǒng)把視日軌跡法的累積誤差去除，系統(tǒng)之所以使用視日軌跡跟蹤和光電跟蹤組成的綜合系統(tǒng)，其原因在于兩者分別在跟蹤精確度和系統(tǒng)穩(wěn)定性方面存在各自的不足，這種組合方式既保留了兩者原有的優(yōu)點(diǎn)，又彌補(bǔ)了各自的缺陷。視日軌跡跟蹤系統(tǒng)是根據(jù)天文學(xué)的算法算出太陽相對(duì)于觀測(cè)地的位置，以不同的形式表示出地理位置關(guān)系，然后輸出信號(hào)，調(diào)整設(shè)備的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。根據(jù)氣象資料，夏天青島的日出時(shí)間約為早上五點(diǎn)，正午的時(shí)間約為十二點(diǎn)，日落時(shí)間為下午七點(diǎn)，總時(shí)間為14個(gè)小時(shí)，將整個(gè)周期的一百八十度分成28個(gè)階段，每個(gè)階段十五分鐘，折合角度為六度，也就是每間隔十五分鐘轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)格點(diǎn)。

光電跟蹤系統(tǒng)，主要由光敏電阻組成，若太陽直射正中間的光敏探測(cè)器件，則無輸出信號(hào)，如果非直射，照射到中間偏左或者偏右的光探測(cè)器件，則輸出控制信號(hào)，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整太陽能電池板的角度。

執(zhí)行機(jī)構(gòu)由一個(gè)執(zhí)行電機(jī)構(gòu)成，執(zhí)行電機(jī)屬于執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來源，執(zhí)行電機(jī)選為一個(gè)舵機(jī)，型號(hào)為MG995，轉(zhuǎn)動(dòng)角度為180度，三線控制，內(nèi)部包含一套齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。利用C52單片機(jī)的P0口輸出一個(gè)周期為20000微秒的方波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度0～180°對(duì)應(yīng)周期中高電平在一個(gè)周期中所占的時(shí)間長(zhǎng)短，角度0～180°對(duì)應(yīng)時(shí)間500～2500微秒并且為線性關(guān)系，對(duì)比計(jì)算得出每一度對(duì)應(yīng)11微妙，即高電平在500微妙的基礎(chǔ)上每增加11微妙，舵機(jī)就轉(zhuǎn)動(dòng)一度。為滿足電池板自動(dòng)跟蹤功能，利用用C52單片機(jī)、電壓比較器、光敏電阻和滑動(dòng)變阻器組成一個(gè)整體電路。光電探測(cè)器電路中有三個(gè)接口作為光電信號(hào)的輸入，用來檢測(cè)太陽光是否直射，如果直射則無信號(hào)輸出，如果偏離較大時(shí)則輸出信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)角度由設(shè)計(jì)的探測(cè)器件尺寸決定，本文設(shè)計(jì)的尺寸為當(dāng)偏離15°時(shí)便可以被兩邊的光敏探測(cè)器感應(yīng)到。

3 實(shí)驗(yàn)過程與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)操作未在露天進(jìn)行，由于外面的天氣變化比較大，影響因素比較多，而且太陽位置的變化需要一整天的時(shí)間，所以在實(shí)驗(yàn)室采用日光燈照射模擬太陽光進(jìn)行。將實(shí)驗(yàn)室中所有的燈關(guān)閉，拉上窗簾盡量減少雜光的影響。

首先分別選擇兩塊幾何尺寸完全相同的太陽能電池板平行放置，其中一塊帶有上述自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，另一塊不帶跟蹤系統(tǒng)（也稱固定電池板系統(tǒng)）；選擇適當(dāng)距離，打開日光燈進(jìn)行照射，保持光線照射兩塊電池板的情況完全相同，然后進(jìn)行光照對(duì)比實(shí)驗(yàn)，測(cè)量該位置時(shí)兩塊電池板的輸出電壓數(shù)值。保持日光燈與電池板之間距離不變，轉(zhuǎn)動(dòng)日光燈，使日光燈現(xiàn)在位置與原來位置之間的夾角為10°，測(cè)量?jī)蓚€(gè)太陽能電池板的電壓輸出情況，記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，然后每次增加10°轉(zhuǎn)角，由小到大，測(cè)量每個(gè)電池板的輸出電壓，直到轉(zhuǎn)角達(dá)到180°。

如圖1所示，分別為兩塊攜帶和不帶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電池板，在不同光線照射角下輸出電壓（電流）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)，入射光線為0°時(shí)，固定電池板初始電壓為6V，隨著入射光線角度的增大，其輸出電壓也逐步增加，入射光線為90°時(shí)，輸出電壓達(dá)到最大值，以后隨著角度的繼續(xù)增加，輸出電壓反而減小。帶有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)電池板在入射光線為0°時(shí)，初始電壓為16V，以后隨著入射光線角度由0°到180°的增大，輸出電壓基本保持穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的現(xiàn)象，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽光能的最大化利用，進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究表明，帶有自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的電池板較固定電池板太陽能接收率高出38%，實(shí)現(xiàn)了太陽能轉(zhuǎn)化成電能的高效率。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)和討論了一種以C52單片機(jī)為控制核心的太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)運(yùn)行條件，達(dá)到實(shí)時(shí)跟蹤太陽效果，利用齒輪作為傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，舵機(jī)作為動(dòng)力元件，結(jié)合C52單片機(jī)對(duì)其它組成部分的控制，實(shí)現(xiàn)電池板時(shí)時(shí)正對(duì)太陽，為提高了太陽能的光電轉(zhuǎn)換效率提供一種新的思路和參考。

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