梁美麗，程靜濤

（山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013）

0 引 言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展政策的推廣，新能源和可再生能源逐漸融入人們的生活，并發(fā)揮著重要作用。太陽能電池又稱光伏電池，是完成光電轉(zhuǎn)換的主要元件。光伏發(fā)電為人類社會提供了可持續(xù)能源。研究利用移動(dòng)車輛上的太陽能跟蹤系統(tǒng)，使光電池組獲得最大的光能量。安裝太陽能跟蹤系統(tǒng)的汽車、火車及通信應(yīng)急車等，在高速行駛時(shí)，車輛調(diào)頭、拐彎或者任意行駛情況下，都能實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行車輛的精確跟蹤。三維光敏傳感技術(shù)是本課題的核心技術(shù)，需在眾多光敏傳感元件中選出符合設(shè)計(jì)要求的元器件，反復(fù)調(diào)試找出最優(yōu)設(shè)計(jì)值，使其具有靈敏度高、線性好和判斷方位準(zhǔn)確的性能。

1 太陽能產(chǎn)業(yè)最新發(fā)展趨勢

近5年，全球太陽能電池以年增長率超過40%的量生產(chǎn)。預(yù)計(jì)未來全球太陽能產(chǎn)業(yè)硅材料用量，將達(dá)到半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)用量的10～30倍。因不可再生能源的日益緊缺和不斷惡化的生態(tài)環(huán)境，環(huán)保工作刻不容緩。在這種形勢下，各國都開始著力于可再生能源的開發(fā)工作。作為可再生能源中的“新寵”，太陽能已應(yīng)用于越來越多的行業(yè)。光伏發(fā)電市場的需求推動(dòng)了國內(nèi)太陽能電池產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。光伏發(fā)電的市場主要有通信、工業(yè)、光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)及太陽能商品等方面。太陽能開發(fā)成本低，是其發(fā)展的重要因素[1]。

2 主要設(shè)計(jì)內(nèi)容

2.1 硬件電路組成

太陽能電池方陣。太陽能電池方陣主要用于產(chǎn)生負(fù)載所需的電能。

蓄電池組。目前，我國將鉛酸蓄電池和鎘鎳蓄電池作為與太陽能發(fā)電系統(tǒng)配套的電池。當(dāng)太陽能電池方陣接收到光照時(shí)，蓄電池儲存電能，并在負(fù)載運(yùn)作時(shí)提供電能。

充放電控制器。過充電和過放電兩種狀態(tài)都會嚴(yán)重?fù)p壞蓄電池。為防止蓄電池遭到破壞，需設(shè)計(jì)充放電控制電路。蓄電池循環(huán)充電次數(shù)、放電次數(shù)及放電深度，是衡量蓄電池壽命長短的重要指標(biāo)。而控制器的作用是防止過充電和過放電情況的發(fā)生。

逆變器。逆變器可將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。太陽能電池和蓄電池儲存的電能都是直流電。當(dāng)負(fù)載是交流負(fù)載時(shí)，需逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。為防止逆變器在工作時(shí)電路出現(xiàn)故障，還需對逆變器設(shè)置過載保護(hù)、短路保護(hù)及過熱保護(hù)等保護(hù)功能。

太陽能跟蹤系統(tǒng)。太陽能跟蹤系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)太陽光線垂直照射太陽能電池板。太陽能跟蹤器控制系統(tǒng)為該電路的核心，可以保證太陽能電池板受到太陽的垂直照射，并監(jiān)測太陽的當(dāng)前位置，控制太陽能電池板的朝向。通過控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)可實(shí)現(xiàn)太陽方位的實(shí)時(shí)追蹤。兩電機(jī)的合成運(yùn)動(dòng)分為水平方向運(yùn)動(dòng)和垂直方向運(yùn)動(dòng)。該追蹤器可實(shí)現(xiàn)360°水平旋轉(zhuǎn)和180°垂直旋轉(zhuǎn)，使太陽能電池板保持對準(zhǔn)太陽方向的狀態(tài)，達(dá)到精確定位。因太陽能發(fā)電系統(tǒng)在室外工作，長期受外界溫濕度、雷電、風(fēng)雨和煙霧等因素的干擾，所以此系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮不利的環(huán)境因素影響[2]。目前，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的跟蹤方式及存在的問題如表1所示。

表1 太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)方式表

從表1可看出，系統(tǒng)受地域、時(shí)間季節(jié)和天氣三方面影響較大，且跟蹤設(shè)備多用于靜止?fàn)顟B(tài)的系統(tǒng)，不適用于移動(dòng)物體。

在眾多光敏傳感元件中，需選出合適的元器件并調(diào)試找出最優(yōu)設(shè)計(jì)值，使其在移動(dòng)狀態(tài)與惡劣條件下都能保持自動(dòng)跟蹤。三維光敏傳感器中嵌入6個(gè)對稱光敏傳感管作為感應(yīng)器件[3]。為消除外界透射及折射光的影響，采用不透光材料進(jìn)行封裝。此方法不受太陽光強(qiáng)度的影響，適用于移動(dòng)狀態(tài)下的跟蹤。三維光敏傳感器能夠隨時(shí)感知太陽方位角θ。因此，將太陽能電池板指向該方位角，就能準(zhǔn)確跟蹤太陽。

2.2 軟電路設(shè)計(jì)

軟電路主要解決三維光敏傳感器感應(yīng)的方位角、移動(dòng)物體方位角與跟蹤系統(tǒng)方位角的換算問題。物體在不斷移動(dòng)，如何保證光伏電池一直處于最佳受光狀態(tài)是重點(diǎn)研究方向，需考慮車輛在各種條件下的跟蹤器狀態(tài)。其中，包括三維光傳感器數(shù)據(jù)、光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)、環(huán)境溫度數(shù)據(jù)、風(fēng)速、蓄電池溫度數(shù)據(jù)、光電池復(fù)位數(shù)據(jù)及展開位開關(guān)狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集運(yùn)算。三維光敏傳感器感應(yīng)輸出的光感差值是模擬量，為滿足精確轉(zhuǎn)換的需求，必須進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。這就需要選用合適的中高檔單片機(jī)或ARM系統(tǒng)[4]。

3 車載式光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

安裝太陽能跟蹤系統(tǒng)可使太陽能光伏組件的發(fā)電效率提高35%左右。電路的跟蹤精度應(yīng)達(dá)到±0.1，環(huán)境使用溫度范圍應(yīng)該控制在-50～70 ℃，保證該系統(tǒng)的使用不受區(qū)域和外部條件限制。電路跟蹤精度的提高，可以最大限度提高太陽光能的利用率[5]。電路設(shè)計(jì)應(yīng)以實(shí)用為主，確保性能穩(wěn)定、跟蹤準(zhǔn)確及性價(jià)比高。