基于光电池的太阳光自动追踪装置的研制

张书博 张潇峰

摘 要：文章从经济性、实用性等方面考虑，设计并研制了一种基于光电感应技术的太阳光自动追踪装置。该装置可自动追踪太阳光，确保太阳光始终直射入太阳能采集装置表面，对于提高太阳能装置对光线的利用效率具有确定的意义。

关键词：光电感应；自动追踪装置；利用效率

1 概述

由于太阳能的绿色、无污染等良好特性，国内外对于使用太阳能的研究不断深入，并取得了长足的发展。在太阳能的吸收效率方面，普遍以太阳光垂直入射为最佳。文章研究了一种基于光电感应装置的太阳光自动追踪装置，使用较低的成本即可实现对于光线的精确追踪，可在太阳能利用装置中广泛使用。

2 位置探测器跟踪原理及结构

自动跟踪系统主要由电源、位置探测器、控制组件、云台四部分组成。位置探测器主要由光敏传感器组成，包括五象限光电池、光电二极管等。控制组件主要接收从位置探测器来的微弱信号，放大去噪等处理后送到云台控制电路，实现设备对于太阳光的跟踪。

跟踪器的精度直接影响聚光效果，在对现有光伏系统的跟踪装置分析的基础上，经过研究对比，为避免单一程序控制会产生累积误差现象的发生，设计装置采用STC89C52单片机来实现系统粗追踪，实现装置的初定位，继而使用五象限光电池探测器的微控制来实现对于太阳光的精确追踪，系统整体框图如图1。

控制系统工作原理如下：当系统刚进入工作状态时，首先光强度检测电路检测样光强度，并将检测结果送入单片机进行处理，当检测到为光线不足时进入时钟跟踪模式，单片机读取时钟，和内部的各时间对比，从而来调节装置方位角高度角。当检测到光照强度足够的时候，进入光电跟踪模式，这时光电跟踪电路工作，实现太阳位置的精确跟踪。通过设计的五象限光电池探测器来判断太阳位置。采用脉宽调制技术（PWM）来驱动电机运动，用单片机输出脉冲。此方案优点是程序设计不复杂，硬件成本低，容易实现，并有较高的跟踪精度。

图1 系统整体控制框图

2.1 五象限光电池探测装置

光电模型的尺寸确定：电路中采用光敏二极管直径是6mm，两个二极管间距为6mm（间距太大会出现光无法照射到任一二极管，使系统紊乱；距离过小出现两个二极管同时导通，单片机接收错误信号）。如图2（1）所示5个光敏二极管分布在一个圆盘上。圆盘中心有带孔的空心圆柱体，此圆柱体的高度和直径会影响到跟踪装置的灵敏度，圆柱体过高太阳光容易通过透光孔照射到内壁上，而无法被二极管吸收，过低又起不到隔离各个二极管的作用。

（1） （2）

图2 五象限分布原理及光敏二极管排列示意图

五象限光电池探测器把大圆分成四个象限，如图2（2）所示，小圆是第五象限为标准象限。在每个象限中间都安放面积、性能、参数相同的硅光电池，当太阳光照射到硅光电池上产生电流，与光强成正比。为了避免杂散光对光电池的影响，在光电池上放置一黑色可调光学镜筒，将光线用凸透镜会聚成一个大小正好覆盖5颗光电池的光斑，当太阳光不垂直照射时，形成的光斑发生偏移，产生不同大小的光电流，经处理后输入到跟踪头。

2.2 系统跟踪电路

跟踪电路原理是由光电二极管检测太阳光线的强弱，在阴天光线不足时二极管呈高阻状态，经过单运放集成芯片LM308输出低电平，系统进入休眠状态；当光强过高使二极管导通，LM308输出高电平，系统进入视日运动轨迹跟踪状态，读取存储器中太阳高度角和方位角数据，输出电机转动信号，完成粗定位。若处于Ⅰ象限的光敏二极管D0处光强最大，呈导通状态，由于中心圆柱体的遮挡，其余象限二极管处于截止状态，此路的运算放大器LM324输出端为低电位，通过I/O口输入到单片机中，经处理后输出信号，控制电机转动，控制器电路图如图3。

图3 跟踪电路图

在大范围跟踪传感器的控制系统中单片机能满足控制系统的工作需要，而且成本很低。在整个控制系统图中，通过外围电路采集模拟量和开关量并输入到单片机的I/O口，通过单片机处理后以PWM方式输出到控制部分，使电机执行相应的工作，完成整个系统的控制。

3 机械结构

因接收装置对于太阳光需360度无死角转动的要求，故选用云台作为跟踪系统机械机构部分的主体，设计将太阳光采集装置与探测器置于同一平面，架设于云台旋转臂上。当探测装置根据探测情况发出电信号后，分别驱动云台的水平及垂直方向控制电机转动，即可带动云台方向控制装置实现对于位置的调整，使光线直射于采集装置表面，实现最高效率的太阳光采集、聚焦，完成系统功能。

4 结束语

根据如上设计，作者成功研制了整套追踪装置，根据相应市场调研，该装置市场价格可控制于百元以内，相对光伏等采光装置的整体价格而言，具有成本低廉，结构简单且便于安装的特点。系统对于太阳光的控制角度误差可控制在±5%，对于提高太阳光接收装置效率有显著的提高作用。在目前以光伏产品为主体的太阳能装置中具有非常广泛的应用价值。

作者简介：张书博（1977，8-），女，辽宁葫芦岛人，浙江工业大学机电学院硕士，浙江建设职业技术学院讲师，主要研究方向：机电一体化。

张潇峰（1993，3-），男，浙江省桐乡人，浙江建设职业技术学院，专科学生，研究方向：楼宇智能化工程技术。