泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 魏 浩 楊德日 郭成英 吳蒙蒙

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基于光敏電阻的太陽(yáng)追蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 魏 浩 楊德日 郭成英 吳蒙蒙

【摘要】本文介紹了基于光敏電阻太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)原理，系統(tǒng)硬件組成和控制算法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種跟蹤精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制可靠的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng),現(xiàn)主要采用跟蹤太陽(yáng)位置的方式最大限度地獲得輸出功率,有效地提高了太陽(yáng)能的利用效率。

【關(guān)鍵詞】光敏電阻；光敏電阻光強(qiáng)比較法；模數(shù)轉(zhuǎn)換；光電轉(zhuǎn)換電路；A/D轉(zhuǎn)換

由于地球的自轉(zhuǎn)和太陽(yáng)的公轉(zhuǎn)，導(dǎo)致一年春夏秋冬四季變換、每天日升日落，對(duì)于傳統(tǒng)的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，因?yàn)槎际枪潭ㄅc某一地點(diǎn)，然而太陽(yáng)的光照角度有是隨時(shí)變化的，因此導(dǎo)致傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)采光率低從而發(fā)電效率低。本設(shè)計(jì)可以對(duì)太陽(yáng)光照進(jìn)行跟蹤，最大限度地提高太陽(yáng)光能利用率。因此在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中，只要有效地保證太陽(yáng)能電池板能夠一直正對(duì)太陽(yáng)，才會(huì)使太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率達(dá)到最高。而目前市場(chǎng)上通用的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是計(jì)算一年中太陽(yáng)所在的角度，其原理是根據(jù)安放地點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息進(jìn)行整合計(jì)算確定固定的光線接收位置，但同時(shí)也存在一旦安裝便不易裝拆或移動(dòng)的缺點(diǎn)。每次拆裝或移動(dòng)之后就必須重新調(diào)整各個(gè)參數(shù)和設(shè)定數(shù)據(jù)，因此此類(lèi)傳統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)后續(xù)安裝的原理、電路和技術(shù)等有著較高的要求。

本設(shè)計(jì)彌補(bǔ)了上述缺陷，取而代之的是使用光電傳感器接收太陽(yáng)光，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)將采集的信號(hào)進(jìn)行系統(tǒng)的分析和比較,隨之輸出控制信號(hào)產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向動(dòng)作。從而始終讓入射光線垂直于太陽(yáng)能電池面板,從而達(dá)到最高效率利用太陽(yáng)能的目的。本新型設(shè)計(jì)可以不受外部條件和地域和的影響，可在-50℃-70℃的溫度范圍內(nèi)正常工作，提高了太陽(yáng)跟蹤精度，完美實(shí)現(xiàn)適時(shí)跟蹤，使太陽(yáng)光能利用率達(dá)到最大限度地提高，可以廣泛地應(yīng)用于各類(lèi)需要太陽(yáng)能發(fā)電和進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤的設(shè)備中。

1　系統(tǒng)的總體構(gòu)成（如圖1所示）

本系統(tǒng)由檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路與核心控制電路等部分組成。各組成部分有序合理，符合電路、機(jī)械等設(shè)計(jì)的基本原則。

圖1　系統(tǒng)的總體構(gòu)成圖

2　系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

利用光敏電阻在光照時(shí)阻值發(fā)生變化的原理, 在一塊電池板東西方向邊沿處的下方放置兩個(gè)屬性完全相同的光敏電阻。該設(shè)計(jì)性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理、跟蹤準(zhǔn)確、方便易用。結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖2所示：

圖2　結(jié)構(gòu)設(shè)置圖

3　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

光敏電阻光強(qiáng)比較法，該比較法中用的是光電轉(zhuǎn)換電路。首先太陽(yáng)光射入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，隨后放大器將此模擬電信號(hào)放大送入單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)采集得到的信號(hào)進(jìn)行分析比較，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。隨之輸出控制信號(hào)產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向動(dòng)作，從而使太陽(yáng)能電池面板始終垂直于入射光線，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高利用效率。

根據(jù)光敏電阻在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)其阻值隨之發(fā)生變化的原理，在一塊電池板東西方向邊沿處的下方放置兩個(gè)材料完全相同的光敏電阻。當(dāng)太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能電池板成直角時(shí)，因此也就保證了兩個(gè)屬性完全相同光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，由此這兩個(gè)光敏電阻的阻值也相同，此時(shí)由單片機(jī)控制的核心控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能電池板垂直方向出現(xiàn)一定夾角時(shí)，此時(shí)兩塊光敏電阻接收的太陽(yáng)光線量開(kāi)始發(fā)生變化，光敏電阻將此光線接受不平衡信號(hào)反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，經(jīng)過(guò)不斷感應(yīng)和調(diào)節(jié)，最終達(dá)到時(shí)刻追蹤太陽(yáng)光線的效果，在此我們稱(chēng)之為光敏電阻光強(qiáng)比較法。

如圖3所示，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠較為容易地實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)并精確地控制系統(tǒng)。

圖3　設(shè)計(jì)電路原理圖

4　結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)特點(diǎn)與創(chuàng)新之處在于使用光電傳感器接收太陽(yáng)光，通過(guò)光敏電阻將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后將電信號(hào)送入單片機(jī)，單片機(jī)控制系統(tǒng)將采集的信號(hào)進(jìn)行比較分析，隨后輸出控制指令控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向，在一定范圍內(nèi)使太陽(yáng)能電池面板與入射光線始終呈直角，從而達(dá)到最高效率利用太陽(yáng)能的目的。

由此我們可以在各種需要太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備上安裝本基于光敏電阻的太陽(yáng)追蹤控制系統(tǒng)，如火車(chē)、汽車(chē)、以及通訊應(yīng)急車(chē)、特種軍用汽車(chē)、軍艦或輪船等，不論這些大型運(yùn)輸設(shè)備向何方行駛、如何調(diào)頭、拐彎，智能太陽(yáng)跟蹤儀都能保證設(shè)備的要求跟蹤部位正對(duì)太陽(yáng)。

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魏浩（1995—），男，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于泰山學(xué)院物理與電子工程學(xué)院 2014級(jí)通信工程專(zhuān)業(yè)，研究方向：通信。

作者簡(jiǎn)介：