一种新型太阳能电池板自动跟踪器设计与实践

籍远明+胡建萍

摘 要：为高效利用太阳能，本文提出一种以C52单片机为控制核心的太阳能自动跟踪系统，采用视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的综合设计方法，利用齿轮作为传动机构，舵机作为动力元件，结合C52单片机对其它部分的控制，实现自动检测运行条件，达到实时跟踪太阳效果，研究表明：带有自动跟踪系统的电池板较固定电池板太阳能接收效率高出38%，提高了太阳能的光电转换效率。

关键词：太阳能；自动跟踪；C52单片机；光电跟踪

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0074-01

1 引言

太阳能是地球上最普遍、最直接、最清洁的能源。太阳能电池是根据光生伏特效应，将太阳辐射能直接转化为电能的装置。我国太阳能资源丰富、分布广泛，光伏发电产业应用前景广阔。然而很多太阳能电池板阵列都是固定的，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下，太阳能自动跟踪系统是提高太阳能效率的重要方法之一。所谓太阳能跟踪系统是让太阳能电池板时时正对太阳，让太阳的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，它能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。本文提出的太阳能自动跟踪系统是一个以视日轨迹跟踪和光电跟踪所组成的综合跟踪系统，利用齿轮作为传动机构，舵机作为动力元件，结合C52单片机对其它组成部分的控制，实现太阳能电池板自动跟踪系统的操作。

2 太阳能自动跟踪系统设计

本系统组成部分主要包括控制系统、执行机构和C52单片机，利用C52单片机控制各部分协同工作，在C52单片机中植入数据使得太阳的直射角度变化时，控制系统将数据传入单片机，单片机处理后控制舵机转动，使得太阳能电池板转动到太阳光直射位置。利用反馈，到达直射位置后，C52单片机发送停止命令，电机停止转动。

控制系统采集太阳光直射位置数据传输给C52单片机，单片机处理数据将转动命令发送到舵机，控制舵机旋转一定的角度后停止。利用光电系统把视日轨迹法的累积误差去除，系统之所以使用视日轨迹跟踪和光电跟踪组成的综合系统，其原因在于两者分别在跟踪精确度和系统稳定性方面存在各自的不足，这种组合方式既保留了两者原有的优点，又弥补了各自的缺陷。视日轨迹跟踪系统是根据天文学的算法算出太阳相对于观测地的位置，以不同的形式表示出地理位置关系，然后输出信号，调整设备的转动角度。根据气象资料，夏天青岛的日出时间约为早上五点，正午的时间约为十二点，日落时间为下午七点，总时间为14个小时，将整个周期的一百八十度分成28个阶段，每个阶段十五分钟，折合角度为六度，也就是每间隔十五分钟转动一个格点。

光电跟踪系统，主要由光敏电阻组成，若太阳直射正中间的光敏探测器件，则无输出信号，如果非直射，照射到中间偏左或者偏右的光探测器件，则输出控制信号，控制执行机构调整太阳能电池板的角度。

执行机构由一个执行电机构成，执行电机属于执行机构的动力来源，执行电机选为一个舵机，型号为MG995，转动角度为180度，三线控制，内部包含一套齿轮传动机构。利用C52单片机的P0口输出一个周期为20000微秒的方波来控制舵机的转动角度，舵机转动角度0～180°对应周期中高电平在一个周期中所占的时间长短，角度0～180°对应时间500～2500微秒并且为线性关系，对比计算得出每一度对应11微妙，即高电平在500微妙的基础上每增加11微妙，舵机就转动一度。为满足电池板自动跟踪功能，利用用C52单片机、电压比较器、光敏电阻和滑动变阻器组成一个整体电路。光电探测器电路中有三个接口作为光电信号的输入，用来检测太阳光是否直射，如果直射则无信号输出，如果偏离较大时则输出信号控制舵机转动，转动角度由设计的探测器件尺寸决定，本文设计的尺寸为当偏离15°时便可以被两边的光敏探测器感应到。

3 实验过程与结果分析

实验操作未在露天进行，由于外面的天气变化比较大，影响因素比较多，而且太阳位置的变化需要一整天的时间，所以在实验室采用日光灯照射模拟太阳光进行。将实验室中所有的灯关闭，拉上窗帘尽量减少杂光的影响。

首先分别选择两块几何尺寸完全相同的太阳能电池板平行放置，其中一块带有上述自动跟踪系统，另一块不带跟踪系统（也称固定电池板系统）；选择适当距离，打开日光灯进行照射，保持光线照射两块电池板的情况完全相同，然后进行光照对比实验，测量该位置时两块电池板的输出电压数值。保持日光灯与电池板之间距离不变，转动日光灯，使日光灯现在位置与原来位置之间的夹角为10°，测量两个太阳能电池板的电压输出情况，记录实验数据，然后每次增加10°转角，由小到大，测量每个电池板的输出电压，直到转角达到180°。

如图1所示，分别为两块携带和不带自动跟踪系统电池板，在不同光线照射角下输出电压（电流）实验数据，研究发现，入射光线为0°时，固定电池板初始电压为6V，随着入射光线角度的增大，其输出电压也逐步增加，入射光线为90°时，输出电压达到最大值，以后随着角度的继续增加，输出电压反而减小。带有自动跟踪系统电池板在入射光线为0°时，初始电压为16V，以后随着入射光线角度由0°到180°的增大，输出电压基本保持稳定，没有出现时大时小的现象，能够实现对太阳光能的最大化利用，进一步的实验研究表明，带有自动跟踪系统的电池板较固定电池板太阳能接收率高出38%，实现了太阳能转化成电能的高效率。

4 结语

本文设计和讨论了一种以C52单片机为控制核心的太阳能自动跟踪系统，系统采用视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合的综合设计方法，实现自动检测运行条件，达到实时跟踪太阳效果，利用齿轮作为传动机构，舵机作为动力元件，结合C52单片机对其它组成部分的控制，实现电池板时时正对太阳，为提高了太阳能的光电转换效率提供一种新的思路和参考。

参考文献

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