| 标题 | 斜单轴太阳能跟踪装置 |
| 范文 | 张治国 王茹玉 摘 要：提高太阳能发电效率，一方面研发新材料的太阳能板，另一方面提高转换效率；太阳能跟踪装置是解决办法之一。太阳跟踪装置是一种能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，主要功能是实现光伏电池输出功率最大化。斜单轴太阳能跟踪系统主要包括：光强检测模块、控制器、白天黑夜检测模块、步进电机及驱动模块、支架等系统组成。 關键词：跟踪系统控制方法；光强度检测；步进电机控制和驱动 随着人类社会的进步，人类社会高度依赖能源，对化石燃料的开采和消耗，而化石燃料不可再生，能源危机日益凸显。如何解决能源危机成为摆在人类面前的一道难题。一方面提高能源的利用率；二是节省能源；但是这些措施治标不治本；从根本解决能源危机的方法是开发新能源。太阳能既是清洁能源而且可再生能源。它遍布全球，使用免费而且不需要运输，对环境没有任何的污染。太阳能没有地域的限制，无论陆地、海洋、高山或盆地等到处分布，并且直接可以开发和利用。每年照射到到达地球表面上的太阳能相当于130万亿吨煤释放的能量，其总量居人类可开发的能源之首。以目前太阳能核反应的速率，太阳的寿命越上百亿年，从这个时间上来讲，太阳能是一种屈指不经用之不竭的能源，目前应用已经非常的广泛。但太阳能容易受到天气变化的影响具有不稳定性，地球自转导致昼夜交替使太阳能具有间歇性，地球公转导致空间分布具有时变性；如何更加高效的利用太阳能以及提高太阳能的利用率？一直是人们追求的目标。太阳能跟踪装置是解决办法之一。跟踪太阳可使接收器接受效率大幅度提高。 太阳每天东升西落，每年南北位置也在缓慢变化，这种变化随着时间和纬度的变化而变化；通常用高度角、方位角来表述。高度角指的是太阳光线与地表水平面得之间的夹角，方位角指的是是树立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方向的夹角。太阳跟踪装置就是一种使太阳能电池板正对太阳，使太阳光垂直照射到太阳能电池板的装置，主要目的使太阳能电池板电能输出功率最大化。 目前太阳能自动跟踪装置从控制方法有匀速控制方法、光强度控制方法、时空控制方法以及混合控制方法；从机械结构方面分为单轴自动跟踪方式、双轴自动跟踪方式。 匀速控制方法指地球的自转速度是恒定的，可以认为从东升起，向西运动；太阳在方位角上以15度每小时匀速运动，24小时运动一周，让太阳能电池板以地球自转角15度每小时转动。 光强度控制方法是利用光传感器来检测空间光线的强度，判断太阳位置，然后驱动电机转动支架进行追踪从而太阳能电池板正对太阳。 时空控制方法是根据当地经纬坐标和时间，利用天文学计算公式，计算太阳所处空间位置，然后驱动电机转动支架进行追踪从而太阳能电池板正对太阳。 单轴自动跟踪方式指太阳能板的南北方向固定不动，而东西方向根据太阳的位置控制电机驱动使其旋转。 双轴自动跟踪方式指太阳能板在南北、东西两个方向根据太阳的位置控制太阳能板旋转。 在上述介绍的基础上，设计一种定时检测光强度的斜单轴跟踪装置。而目前光伏系统中，出于成本和可靠考虑，太阳能电池板采用朝南固定安装，但是这种安装方式大大降低了太阳能电池板在一天之内的有效发电的时间，该装置提高光电转换的效率，结构简单易安装，并且电路简单，；但容易受天气变化的影响。根据查阅实验数据可知，平单轴能提高10%—20%的发电量，斜单轴自动跟踪装置能提高20%—25%的发电量。 1 系统组成及功能分析 斜单轴太阳能跟踪系统主要包括以下模块：光强度检测模块、控制器模块、白天黑夜检测模块、步进电机及驱动模块、支架系统等系统组成如下图所示： 光强检测模块主要用来检测太阳能电池板在东西方向是否正对太阳，从而调整太阳能电池板的方位角。本设备选用光敏电阻作为太阳位置的敏感元件。在太阳能电池板东西两侧垂直板面各安装一块。当两个光敏电阻的感光量相等，输出电压相等，电动机不转动。若太阳能电池板那侧感光量强，则对应侧光敏电阻输出的电压高，电压信号经过放大电路放大后送入单片机，经过单片机内部的模数转换器，转换成数字信号，通过对两个数值的比较，若左右两侧的电压值差的绝对值超过一定范围时，则单片机控制步进电机驱动太阳能电池板朝电压较高的一侧旋转，直至两侧电压差在程序设定范围内，最终达到太阳能电池面板在东西方向正对太阳，从而使太阳能电池板电能输出功率最大化。电路如下： 步进电机驱动模块中步进驱动器接收到单片机发送的一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。本次设计选用的是四相六线制85BYG11450A型步进电机，该步进电机的工作电压为4.4V，步进电机的步距角1.8°±5%。步进电机的驱动芯片选用CW-250AC，VC为电源的两个接线端子，工作电压为24V-60V。电路图如下： 白天黑夜检测模块功能如下：当处在白天时，D1在光照下使其导通，输出高点位，当检测到端口为高电平时，启动光电跟踪模式；当处在黑夜时，D1没有光照截至，输出低电平，当检测到端口为低电平时，循环继续检测。 系统控制部分采用51单片机，采用单片机的最小系统。首先控制器接受到来自检测模块发来的信号，通过程序来判断，进而输出信号控制步进电机驱动器，步进电机驱动芯片根据接受到的命令来控制步进电机来带动太阳能电池板达到跟踪太阳的目的。 2 系统软件设计模块 斜单轴太阳能跟踪装置软件模块的设计思想是程序初始化，首先检测是白天还是黑夜，如果黑夜继续等待，若是白天则启动光电跟踪模块；检测左右两侧的电压是否相等，不等启动电机转动，执行完毕后，再进行检测，并循环进行。具体控制流程如图所示： 参考文献： [1]张永兴.单轴太阳能跟踪系统设计[J].光电技术应用，2010，25（4）. [2]李鹏万.太阳能自动跟踪装置控制系统设计[D].新疆：新疆农业大学，2016. 作者简介：张治国（1985-），男，陕西西安人，主要从事电学、教育方面的研究；王茹玉（1987-），女，陕西西安人，主要从事电学、教育方面的研究。 |
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