太阳能电池板自动跟踪系统的研究

赵旭，董实

（1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油大庆第二采油厂信息中心，黑龙江大庆163300）

太阳能电池板自动跟踪系统的研究

赵旭1，董实2

（1.东北石油大学电气信息工程学院，黑龙江大庆163318；2.中国石油大庆第二采油厂信息中心，黑龙江大庆163300）

通过对国内外现有的太阳能跟踪系统的原理和研究现状进行分析，并对太阳能自动跟踪系统的控制所存在问题进行了有效的研究，对中国的能源战略有着深远意义。

太阳能；自动跟踪；步进电机

引言

太阳能跟踪系统可以对太阳全方位跟踪，具有两个自由度的跟踪能力。经过黑夜或阴天后，只要太阳一出即可跟踪，工作可靠稳定。通过AT89S52芯片对桥式电路检测到的结果进行一系列的逻辑运算后，进而控制实时调整高度角和方位角的步进电机，从而实现对太阳全方位跟踪［1］。当水平方向上的2路光敏电阻测量数值相对接近，同时竖直方向上的2路光敏电阻测量数值也相对接近时，说明此时太阳能板已经正对太阳光［2-3］。该系统不仅能自动根据太阳光方向来调整太阳能电池板方向，结构简单、成本低，而且设置了手动跟踪按键，防止在光电检测模块出现故障时，能够手动跟踪，有效地提高太阳能的利用率，有较好的推广应用价值。

1　太阳运行规律

太阳相对地球的位置被称为太阳的运行轨迹，该轨迹上的坐标位置可以由赤道坐标系和地平坐标系两种坐标系统来描述。双轴跟踪系统的极轴式全跟踪系统所采用的正是赤道坐标系，高度角-方位角式全跟踪则采用的是地平坐标系。

1.1赤道坐标系

所谓赤道坐标系是指人从外太空的角度来观测太阳相对地球的空间位置，由图1所示，太阳相对于地球的空间位置是以地球赤道作为参考平面而言的，图中赤纬角和时角分别δ和ω来表示。

图1　赤道坐标系

1.2赤纬角

由图1可知，AO与OQ间的夹角为太阳赤纬角，其中AO为太阳光在地球表面的直射点与地球中心的连线；OQ为连线AO在赤道面上的投影。由于存在地球的自转与公转，太阳光在地球表面的垂直照射点会在赤道和南、北回归线之间往复移动，因此直射点与地球中心连线与其在赤道面上的投影间的夹角也不断改变［4］。一年中赤纬角的计算公式如下：

式中，δ——一年里第n天或离春分第d天的赤纬；

d——由春分日算起的第d天；

n——一年中的日期序号。

其中，春分和秋分时有δ=0，冬至日时的δ值为-23.5°，夏至日的δ值则为23.5°。

1.3时角ω

时角是用来刻画因地球自转所导致的日-地相对位置变化的物理量，如果不存在地球自转现象也就不存在时角。图1中的点P为地球表面上的任意一点，其与地心的连线OP与OQ的夹角ω即为时角，其中OQ为P点所在地12点时日-地中心连线在赤道平面上的投影。地球自转一周的角度为360°，所需时间为24 h，则每小时所对应的时角为15°。若以正午的时角为零，并规定上午取正值、下午为负值，则时角在数值上等于某一时刻偏离正午的数值乘以15。那么在正午时时角为零，日出、日落时时角取得最大值。

2　系统总体设计

系统总体结构包括单片机模块、光电传感器、A/D转换模块、步进电机控制模块、供电模块、手动控制电路模块等几个模块［5］。本设计的方案的是将太阳能电池板一整块从中间分成四块，然后在分割线上插入3 cm的硬纸板，再在四小块的太阳能电池板上安装传感器（尽量贴着纸板）组成四象限探测器，较以往的单个光敏传感器跟踪或单筒光敏传感器探测器，其跟踪效果精确而又稳定，增强了其跟踪的可靠性，蓄电电路、和供电电路都是基本的稳压电路。多传感器设计思想解决了传统的单个探测器一直存在的错误率高的问题、灵敏度低的缺点，增强了太阳能跟踪系统的可靠性。系统总体硬件电路结构框图如图2所示。下面分别对各个模块进行详细的介绍。

图2　总体硬件电路结构框图

3　主程序的设计

系统的整个程序设计是采用模块化程序结构进行设计，各功能模块程序独立设计、独立调试，当各个模块的程序都调试通过后，在进行联调，这样有利于程序的移植和修改，同时又有利于其他功能的扩展。系统的程序设计主要分为主程序设计、A/D转换的程序设计、光敏电阻数据处理程序设计和太阳能追踪子程序的设计。主程序主要是完成系统初始化后进入循环检测四路光强，根据反馈回来的四路电压值进行比较，判断当前对称侧的光照的亮度差是否达到定值，进而驱动步进电机调整太阳能板正对太阳。太阳能追踪主程序流程框图如图3所示。

图3　主程序流程图

4　结语

本文通过对国内外现有的太阳能跟踪系统的原理和研究现状进行分析，并对太阳能自动跟踪系统的控制所存在问题进行了有效的研究，在太阳跟踪控制系统原理的基础上对闭环控制系统的执行部件和反馈部件的选取进行相应的设计与说明［6］，进而提出了基于单片机的具有实用性的太阳跟踪控制方案，针对于现有的太阳能控制系统有效地解决其模拟控制适应性差、数字控制价格昂贵、精度低等问题。

［1］马正华，姚刘君.一种高精度双轴太阳能自动跟踪系统的设计［J］.低压电器，2011（16）:35-38.

［2］胖莹，王振臣.太阳能智能追光装置设计［J］.水电能源科学，2011，29（8）:207-210.

［3］李建昌，王紫瑄，侯雪艳，等.一种太阳能集热器自动寻光系统设计［J］.可再生能源，2012，30（8）:24-27.

［4］贺晓雷，于贺军，李建英，等.太阳方位角的公式求解及其应用［J］.太阳能学报，2008，29（1）:69-73.

［5］王海鹏，郑成聪，徐丹，等.基于单片机的太阳自动跟踪装置的设计与制作［J］.科学技术与工程，2010，10（19）:4 651-4 655.

［6］张翌狲.基于DSP的太阳跟踪控制系统研究［D］.上海:上海交通大学，2008.

（编辑：刘楠）

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

赵旭（1995—），女，黑龙江安达人，现就读于东北石油大学石油工程学院。