基于低壓電氣控制的太陽能板轉(zhuǎn)向裝置

泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 吳瀟天 周營莉 李 峰

目前中國年能源消耗量以達(dá)世界第二的水準(zhǔn)，隨著大量的能源消耗二氧化碳的排放量躍居世界首位，同時(shí)不斷消耗殆盡的煤炭石油等是不可再生能源，為解決中國能源環(huán)境問題，國家出臺(tái)了大量政策支持發(fā)展新能源，例如鼓勵(lì)支持安裝太陽能電池等，但由于現(xiàn)如今技術(shù)和材料等因素的限制，使得太陽能板的光能與電能之間的轉(zhuǎn)換效率非常低，在太陽能板的光能與電能之間的轉(zhuǎn)換效率沒有實(shí)質(zhì)性突破前，為了增加電池的電量儲(chǔ)備，可利用增大光強(qiáng)等方式，然而一天的光照強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化，同時(shí)隨著時(shí)間的變化太陽光線照射到太陽能板的角度變化，太陽能發(fā)電儲(chǔ)備電量將大大受到削弱，為了利用到各個(gè)時(shí)間段最大光強(qiáng)的光線，加大每天的電量儲(chǔ)備。本系統(tǒng)僅運(yùn)用光敏電阻與直流電動(dòng)機(jī)等基本元件對(duì)太陽能發(fā)電裝置進(jìn)行改造，結(jié)構(gòu)簡潔高效。

目前主動(dòng)式太陽光線追蹤系統(tǒng)大多采用以下幾種技術(shù)方案，例如計(jì)算機(jī)程序跟蹤精確度高但成本太高，時(shí)鐘追蹤誤差過大，GPS追蹤信號(hào)傳輸易受外界干擾等。本系統(tǒng)僅采用光敏電阻與直流電動(dòng)機(jī)等基本元件對(duì)太陽能發(fā)電裝置進(jìn)行改造，通過光敏電阻對(duì)光線照射角度的監(jiān)測，促使太陽能板能實(shí)時(shí)追蹤光線，使得每天的電量儲(chǔ)備增加，以便于提供更多電器設(shè)備的使用。針對(duì)現(xiàn)有公共太陽能發(fā)電市場，本系統(tǒng)的工作僅依靠光線是否照射到光敏電阻，避免因其它因素引起的直流電動(dòng)機(jī)的額外工作，最大程度調(diào)配電力的消耗與存儲(chǔ)，同時(shí)僅使用光敏電阻、直流電動(dòng)機(jī)和組合開關(guān)等設(shè)備元件，則結(jié)構(gòu)簡潔易做市場推廣。

1 系統(tǒng)的整體構(gòu)成（如圖1所示）

本系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向裝置、太陽能電池組、充放電控制器、直流負(fù)載與蓄電池等部分組成。整體的各部分裝置設(shè)計(jì)、各部分裝置之間連接簡潔合理，符合電路設(shè)計(jì)的基本原則。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（如圖2所示）

圖2所示為太陽能光伏發(fā)電原理示意圖，太陽能光伏發(fā)電基本原理為，利用一種半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)，將太陽散發(fā)的光量子吸收轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋．?dāng)太陽光照在半導(dǎo)體上時(shí)，其中一部分光子被p-n結(jié)吸收，吸收的能量將p-n結(jié)中的電子從共價(jià)鍵中激發(fā)，以致產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。在p-n結(jié)的內(nèi)電場作用下，電子與空穴之間相互運(yùn)動(dòng)，使大量電子向受光面有聚集，而大量空穴在背光面有聚集，使半導(dǎo)體器件兩面產(chǎn)生電勢差，當(dāng)在兩面接上負(fù)載，電流將通過負(fù)載從電勢高的背光面流向電勢低的受光面，形成一條完整的回路。太陽能電池就是一個(gè)具有光伏效應(yīng)的半導(dǎo)體光電二極管材料器件，當(dāng)日光照到半導(dǎo)體材料上時(shí)，此半導(dǎo)體材料就會(huì)吸收電磁輻射的能量用來生成電能。

圖1 系統(tǒng)的整體構(gòu)成圖

圖2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)圖

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)太陽光線未垂直照射在太陽能板上時(shí)，太陽光線被光敏電阻旁的擋板所遮擋，光敏電阻處在擋板下的陰影處，光敏電阻未受到光線的直接照射，光敏電阻由于接受到光強(qiáng)變小，光敏電阻的阻值隨之變大，則流經(jīng)光敏電阻的電流變小，造成流經(jīng)與光敏電阻處于并聯(lián)狀態(tài)的電磁繼電器線圈的電流變大，電磁繼電器線圈中間的鐵芯所附上的磁性隨線圈的電流變大而變大，磁性增大使得與電磁繼電器聯(lián)結(jié)的開關(guān)閉合，隨之直流電動(dòng)機(jī)開始工作，太陽能板開始緩慢向著太陽方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)太陽能板緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)到太陽光線垂直照射到太陽能板上時(shí)，光敏電阻慢慢移出擋板下的陰影處，此時(shí)光敏電阻受到光線的直接照射，光敏電阻由于接受到光強(qiáng)變大，光敏電阻的阻值隨之變小，則流經(jīng)光敏電阻的電流變大，造成流經(jīng)與光敏電阻處于并聯(lián)狀態(tài)的電磁繼電器線圈的電流變小，電磁繼電器線圈中間的鐵芯所附上的磁性隨線圈的電流變小而變小，磁性減小使得與電磁繼電器聯(lián)結(jié)的開關(guān)打開，隨之直流電動(dòng)機(jī)停止工作，太陽能板停止轉(zhuǎn)動(dòng)，保持板與光線垂直。

當(dāng)一天結(jié)束，太陽能板轉(zhuǎn)過一定角度后觸碰到開關(guān)，電動(dòng)機(jī)開始反轉(zhuǎn)，使得太陽能板轉(zhuǎn)回到初始角度，觸碰開關(guān)電路停止工作，等待第二天重新開始工作。

4 結(jié)語

本裝置系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)與創(chuàng)新之處在于僅運(yùn)用光敏電阻與直流電動(dòng)機(jī)等基本元件對(duì)太陽能發(fā)電裝置進(jìn)行改造，同時(shí)采用的直流電動(dòng)機(jī)設(shè)備可直接使用中心充放電控制器設(shè)備供電，而不需要額外增加逆變器進(jìn)行直交流轉(zhuǎn)換，使本裝置在能保證實(shí)時(shí)準(zhǔn)確追蹤太陽光線垂直照射在太陽能板時(shí)，太陽能板所處的角度同時(shí)，大大降低了裝置成本問題。而裝置的工作僅依靠光線是否照射到光敏電阻，避免因其它因素引起的電動(dòng)機(jī)的額外工作，最大程度調(diào)配電力的消耗與存儲(chǔ)。同時(shí)利用到各個(gè)時(shí)間段最大光強(qiáng)的光線，加大每天的電量儲(chǔ)備，以供給更多的公共設(shè)備。