鄭 鋒 王煒靈 陳健強(qiáng) 陳澤群 張曉薇

（華南理工大學(xué)，廣東 廣州510641）

0 引言

太陽能是當(dāng)今最受關(guān)注的一種能源， 全球正面臨著能源危機(jī)，經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，所以新能源的開發(fā)和利用成為熱點(diǎn)。 太陽不僅提供地球生物基本的生活物質(zhì)，其光能還能轉(zhuǎn)化為電能被利用。 太陽能是真正意義上的取之不盡用之不竭的資源，可以供人類長時間使用。 太陽能綠色，安全，可持續(xù)利用，在未來得到前所未有的發(fā)展。

1 全天候太陽能自動跟蹤系統(tǒng)裝置的設(shè)計

1.1 全天候太陽能自動跟蹤裝置的硬件設(shè)計

1.1.1 概述

整個裝置的硬件設(shè)計主要包括太陽方位檢測模塊、 光強(qiáng)檢測模塊、風(fēng)速檢測模塊的設(shè)計。

1.1.2 檢測部分

圖1

檢測模塊主要是通過固定在太陽能電池板上，且與板面平行的太陽方位檢測傳感器和光強(qiáng)檢測傳感器來分別檢測太陽方位變化和光強(qiáng)變化，進(jìn)而驅(qū)動跟蹤裝置進(jìn)行太陽跟蹤。 檢測模塊的設(shè)計主要基于光電效應(yīng)。當(dāng)光線照在太陽能板上，光電傳感器在電路中的電氣量（電流、電阻）會發(fā)生變化，本文中采用的是光敏電阻，因此發(fā)生變化的電氣量是光敏電阻的阻值。光敏電阻的阻值會隨著光照強(qiáng)度的增加而減小，如果兩個光敏電阻串聯(lián)在同一個回路，當(dāng)兩個光敏電阻接受光照不同時，兩個光敏電阻連線中點(diǎn)的電壓就會不同，即把太陽方位的狀態(tài)量轉(zhuǎn)換為變化的電壓的電氣量。

方位檢測部分通過四個光敏電阻組成橋式電路， 并采用一塊2.5V 硅片作為陰晴白夜檢測， 同時巧妙地將硅片作為光敏電阻的遮擋元件。當(dāng)檢測模塊對準(zhǔn)太陽時，單片機(jī)兩個引腳P1.1 和P1.2 采集到的電壓為2.5V，當(dāng)未對準(zhǔn)太陽時，電壓為1-4V（如圖1）。

1.1.3 風(fēng)力保護(hù)部分

系統(tǒng)運(yùn)行過程中，現(xiàn)場自然環(huán)境隨時可能發(fā)生變化，強(qiáng)風(fēng)來襲的情況下，若不采取及時的保護(hù)措施，很有可能造成機(jī)械結(jié)構(gòu)損壞，對系統(tǒng)造成難以挽回的損傷。 因此系統(tǒng)設(shè)置了強(qiáng)風(fēng)保護(hù)模式，實(shí)時監(jiān)測實(shí)際環(huán)境的風(fēng)速，當(dāng)檢測到強(qiáng)風(fēng)來襲時，系統(tǒng)自動切入風(fēng)力保護(hù)模式，將太陽能電池板放平，從而減小風(fēng)對太陽能電池板的作用力，保護(hù)太陽能電池板不受破壞，提高發(fā)電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

當(dāng)風(fēng)力級數(shù)大于8 級（風(fēng)速17.2～20.7m/s），三杯式風(fēng)速傳感儀所輸出的電流信號在13.5mA 以上時，控制器判定當(dāng)前風(fēng)速有可能損壞平臺，立即將太陽能電池板放平。 風(fēng)力檢測電路中使用了三杯式風(fēng)速傳感器來檢測風(fēng)速，當(dāng)風(fēng)吹動風(fēng)速杯轉(zhuǎn)動時，風(fēng)速傳感器會輸出與風(fēng)速成正比的電流信號，將4-20mA 電流信號轉(zhuǎn)成0-5V 電壓信號后輸入到單片機(jī)的AD 通道中， 通過判斷電壓信號的大小來判斷風(fēng)力大小。 當(dāng)風(fēng)力達(dá)到8 級（可通過程序設(shè)定）時，單片機(jī)通過AD 轉(zhuǎn)換后得到的電壓判斷出此時應(yīng)該切入強(qiáng)風(fēng)保護(hù)模式。

1.2 太陽能自動跟蹤裝置的軟件設(shè)計

1.2.1 系統(tǒng)的工作過程

高精度太陽能跟蹤控制器采用光電跟蹤和視日軌跡跟蹤兩種模式來綜合實(shí)現(xiàn)。 視日軌跡跟蹤方式在陰天時根據(jù)天體運(yùn)行規(guī)律，實(shí)時計算出太陽的位置，使跟蹤器定位到一定的范圍。 光電跟蹤則在晴天實(shí)時跟蹤太陽軌跡，提高太陽能的利用率。 視日軌跡跟蹤可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力。 由于外界自然環(huán)境復(fù)雜多變，天空中飛起的樹葉或生活垃圾，以及云層的運(yùn)動都會對傳感器檢測造成干擾，使跟蹤器產(chǎn)生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。

系統(tǒng)首先初始化，對寄存器和變量的初始化。 當(dāng)風(fēng)力保護(hù)檢測到風(fēng)力大于6 級，啟動風(fēng)力保護(hù)裝置，使太陽能裝置放平，以減少風(fēng)阻保護(hù)裝置。 當(dāng)風(fēng)力正常則進(jìn)行下一步（圖2）。

1.2.2 視日軌跡跟蹤系統(tǒng)

通過單片機(jī)時鐘模塊讀取當(dāng)前時間，然后由所在地的經(jīng)度，緯度，通過天體運(yùn)行公式計算當(dāng)前的太陽高度角和方位角。把太陽的高度角和方位角轉(zhuǎn)換成直流電機(jī)所要轉(zhuǎn)動的步數(shù)和方向，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。 若電機(jī)轉(zhuǎn)到計算的位置，則根據(jù)由硅光電池傳感器通過信號處理電路采樣得來的信號，來判斷電機(jī)是否轉(zhuǎn)到的精確定位位置。 然后依次判讀電機(jī)是否對準(zhǔn)太陽的高度角和太陽方位角。

圖2

對于視日軌跡跟蹤,一般采取間歇跟蹤方式。 首先，根據(jù)跟蹤裝置所在地的經(jīng)度、緯度、當(dāng)前日期、時間等參數(shù),由太陽運(yùn)行軌跡算法即可計算出太陽日出、日落時間,以及從日出至日落某些時刻太陽的方位角與高度角;其次,獲得跟蹤裝置在某時刻的方位角和高度角;然后,分別比較太陽方位角、高度角與跟蹤裝置方位角、高度角，獲得方位角偏差和高度角偏差,當(dāng)方位角偏差大于許用方位角偏差時,控制方位角跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動使得方位角偏差為零或在一定誤差范圍內(nèi),同理,當(dāng)高度角偏差大于許用高度角偏差時,控制高度角跟蹤機(jī)構(gòu)運(yùn)動使得高度角角偏差為零或在一定誤差范圍內(nèi)。

1.3 太陽能自動控制裝置的機(jī)械設(shè)計

如圖所示為太陽能跟蹤裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)總體外觀圖。主要由四部分構(gòu)成:底座支架、水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、豎直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、太陽能電池板支撐機(jī)構(gòu)。

水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、電機(jī)固定箱、軸承和中間立軸組成。水平軸電機(jī)通過減速齒輪可以帶動中間立軸轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動整個太陽能電池板平臺水平方向轉(zhuǎn)動。 直流電機(jī)輸出軸通過1:100 減速齒輪與中間立軸相連。豎直旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)、同步帶輪、轉(zhuǎn)軸、軸承座、太陽能電池板支架等組成。豎直機(jī)構(gòu)通過傳動帶輪實(shí)現(xiàn)電池板在豎直平面內(nèi)的傾角調(diào)整，可實(shí)現(xiàn)豎直方向90 度旋轉(zhuǎn)。

圖3

2 結(jié)論

全天候太陽能自動跟蹤裝置中， 檢測系統(tǒng)和控制系統(tǒng)相互配合，檢測系統(tǒng)把光線移動的信息及時傳送給控制系統(tǒng)，達(dá)到實(shí)時跟蹤的目的，裝置經(jīng)過了實(shí)測數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀況的觀測，反應(yīng)靈敏，效果良好，設(shè)計有效地提高了裝置的工作效率。