光伏发电太阳跟踪装置设计

张玮玮，董昭（安阳工学院，河南安阳455000）

光伏发电太阳跟踪装置设计

张玮玮，董昭
（安阳工学院，河南安阳455000）

在了解日地相对运动规律的基础上，采用光电传感跟踪和视日运动轨迹跟踪相结合的方法，设计了自适应太阳跟踪装置控制系统。实验表明，该装置提高了对多变环境的适应能力和跟踪精度，实现了全天候全自动的太阳跟踪。

光电传感跟踪；视日运动轨迹跟踪；自适应

太阳能光伏发电成为解决未来能源危机的重要途径，但发电转换效率很低极大地限制了它的应用和发展。太阳自动跟踪是解决这一问题的一种可行的方法，其原理就是根据一天中不同时刻太阳在天空中方位的变化，调整太阳能利用装置的偏转角度，从而跟踪太阳的偏移，使太阳入射光线时刻垂直照射，使太阳辐射能量得到充分接收。太阳跟踪装置控制系统可大大提高接收装置的热效率，提高太阳能的利用率。

1　设计思路

将视日运动轨迹跟踪和光电传感跟踪的特点相结合，采取视日运动轨迹跟踪开环控制和光电传感跟踪闭环控制的混合控制的策略，发挥各自优势。当遇到阴雨等天气情况时，光强太弱致使光敏二极管无法导通，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪方式进行跟踪，天气转好后自动跳回光电传感跟踪，此方案发挥了光电传感跟踪的灵敏度高的优点，同时合理地利用了太阳运动轨迹跟踪方式，最大程度降低跟踪装置因天气带来的误操作。设定跟踪时间，根据地域不同使用软件改写，降低累积误差，提高跟踪精度。笔者所在的安阳地区7:00之前和20:00之后太阳光照比较弱，固定式和跟踪式太阳能的采集量大体相同，因此采用控制系统复位后进入休眠等待模式，在此时间区间跟踪装置固定不动，更大程度的节约能源。

太阳跟踪装置控制系统的工作原理：设置前端光电传感检测电路对白天还是黑夜做出判断，若是白天，运行编写的程序，若是黑夜，响应中断程序，并自动复位到早晨太阳升起的位置，使跟踪装置处于待机的休眠状态，降低了系统的耗能。在白天时，再次判断太阳光强度，判定出晴天还是阴天，在天气晴朗时采用光电传感跟踪模式，在阴天时采用视日运动轨迹跟踪模式，采用光电传感—信号采集和处理—驱动芯片—驱动步进电机—太阳能采集板转动—反馈调整，使用两个步进电机，进而驱动太阳光接收装置转动，实现全天候全自动实时跟踪。

2　控制系统设计

太阳跟踪装置控制系统采用视日运动轨迹跟踪开环控制和光电传感跟踪闭环控制的混合控制的策略，包括软件程序的设计、硬件电路的设计和机械传动跟踪平台的设计。

2.1软件程序的设计

整个控制系统的程序设计包括光电传感跟踪程序设计、视日运动轨迹跟踪程序设计、时钟电路程序设计、显示模块程序的设计、复位电路程序的设计等部分。程序主流程图如图1所示，视日运动轨迹跟踪程序流程图如图2所示。

整个程序的运行顺序是：首先判断昼夜的变化，若是黑夜启动中断程序，复位到第二天太阳升起的方向，然后使系统进入等待休眠状态。如果不是，就进入阴晴判断程序；阴天时，系统视日运动轨迹跟踪方式；如果是晴天，采用光电传感跟踪方式。

2.2硬件电路的设计

太阳跟踪装置的硬件电路包括单片机最小系统电路、晶振电路、复位电路、时钟电路、LCD显示电路、手动调节电路、光电判断跟踪电路、步进电机驱动电路，光电跟踪电路又包括判昼夜电路、判阴晴电路、晴天光电传感电路。太阳跟踪装置控制系统的总体设计原理图如图3所示，步进电机驱动电路如图4所示。

2.3机械传动跟踪平台的设计

太阳跟踪装置控制系统的传动机构有两大部分：①蜗轮蜗杆的传动设计，控制调整高度角的步进电机采用蜗轮传动，蜗轮传动可获得很大的传动比，传动工作平稳，传动比精确，当蜗轮的导程角小于当量摩擦角时，蜗轮传动实现自锁，因传递运动的精确性、平稳性、载荷分布的均匀性使使太阳能电池板随外界环境的变化影响减小，晃动减小，使工作更稳定。②齿轮的传动设计，利用齿轮相互啮合传递动力和运动的机械传动，齿轮传动平稳，传动比精确，工作可靠。机械传动跟踪平台的整体设计图如5所示。

3　结论

本文是基于单片机的自适应太阳跟踪装置控制系统，采用视日运动轨迹跟踪为主、光电传感跟踪作为校正的混合跟踪模式，随太阳位置的不断变化，使太阳跟踪装置可以绕垂直的两个轴向转动，根据太阳光线的变化自动调整集热板或电池板的转动，使太阳跟踪装置时刻垂直太阳光线，更好地应对多变的天气和复杂的环境，有较好的应用前景和推广价值。

[1](日)坂本正文.步进电机应用技术[M].王自强，译.北京：科学出版社，2010．

[2]张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用[M].北京：高等教育出版社，2010．

[3]李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京：北京工业大学出版社，2001．

[4]郑飞.蝶式太阳能热发电跟踪机构电路优化设计与实现[D].北京，中国科学院研究院，2003．

[5]史敬灼.步进电动机伺服控制技术[M].北京：科学出版社，2006．

[6]任超.太阳自动跟踪装置控制系统的研究[D].武汉：武汉理工大学，2007．

[7]吴静.太阳自动跟踪系统的研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[8]史伟会.基于七点法太阳定位器的自动跟踪系统研究[D].上海：东华大学，2011．

(责任编辑：赵建周）

TP23

A

1673-2928（2015）02-0025-03

2014-09-27

张玮玮（1980-），女，河南安阳人，安阳工学院讲师，硕士研究生，主要研究方向为智能控制、自动控制、网络技术等。