汪臨偉

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007）

太陽電池方陣自動全追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

汪臨偉

（九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 332007）

0 引言

在我國太陽能和可再生能源技術(shù)已列入國家科技攻關(guān)計(jì)劃，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展很快，但光伏設(shè)備的研發(fā)及制造、光伏科學(xué)理論的研究還落后發(fā)達(dá)國家很多?，F(xiàn)在大量使用的太陽電池方陣都是受光面傾斜，傾角固定。而我們知道太陽能存在密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化，從地球上看，太陽在一天之內(nèi)從東到西環(huán)繞地球，任何時(shí)刻太陽光的輻照度都是：I＝I0cos，這里I0為垂直受光面的太陽輻照度的最大值，而 為太陽方向與受光面法線間的夾角。這種太陽電池方陣接受太陽能在一天中總輻照量就會少很多。筆者經(jīng)過潛心研究，認(rèn)為如果采用太陽電池方陣全追蹤系統(tǒng)使 為零或接近零，則相同面積的太陽電池方陣接受的總輻照量將會大大增加，光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量將會提高35%左右[1]。

本系統(tǒng)采用智能芯片自動檢測太陽光的方向，調(diào)整太陽電池方陣的朝向，實(shí)現(xiàn)全追蹤，使其接受太陽輻照量最大，有效提高太陽能的利用率。

1 自動追蹤的檢測

自動追蹤的檢測是太陽電池板全追蹤系統(tǒng)的控制核心，是系統(tǒng)研究工作的重點(diǎn)。檢測太陽光光強(qiáng)的方法有定時(shí)法、坐標(biāo)法、太陽能電池板光強(qiáng)比較法和光敏電阻光強(qiáng)比較法[4]等等。定時(shí)法電路簡單，但系統(tǒng)的控制精度較差；坐標(biāo)法控制精度較高，但控制電路復(fù)雜；光強(qiáng)比較法使系統(tǒng)的太陽能利用率不能達(dá)到最佳；光敏電阻光強(qiáng)比較法電路實(shí)現(xiàn)最簡單，對太陽能的利用率最大。設(shè)計(jì)采用的是光敏電阻光強(qiáng)比較法，是利用光敏電阻在不同光照時(shí)阻值不同的原理，來實(shí)現(xiàn)太陽電池板全追蹤。它采用球型光敏探測頭，豎直固定在太陽電池方陣上，在球型光敏探測頭東、西、南、北、頂部各開一圓孔，安裝聚光鏡會聚光線，內(nèi)部安裝接收東、西、南、北方向光線的光敏電阻陣列（光敏電阻并聯(lián)），頂部光敏電阻陣列為誤差探測電路。

當(dāng)太陽光線不是垂直照射太陽電池方陣時(shí)，球型光敏探測頭的東、西、南、北方向一定有至少一面接收到會聚的太陽光線，由于光敏電阻在光照時(shí)阻值會發(fā)生較大的變化，我們用智能芯片檢測出接收光線的那一面，驅(qū)動液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使太陽電池方陣正對太陽（粗調(diào)）。

粗調(diào)完成后，會聚的太陽光線一定會落在頂部誤差探測的光敏電阻陣列上，頂部誤差探測的光敏電阻陣列如圖1所示。

圖1 誤差探測光敏電阻陣列

誤差信號是如何檢測的呢？A、B、C、D為中心區(qū)光敏二極管，E、F、G、H為輔助光敏二極管，其中E、F為一對，G、H為一對，誤差檢測電路如圖2所示。

圖2 誤差檢測電路

當(dāng)太陽會聚光線偏離中心區(qū)時(shí)E、F或G、H兩對輔助光敏二極管的受光量一定不一致，經(jīng)誤差檢測電路檢測產(chǎn)生伺服電信號TE＝E－F（或G－H）就可知太陽電池方陣偏離的方向，驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整（細(xì)調(diào)）。

當(dāng)太陽會聚光線在中心區(qū)時(shí)，光束投射到中間的4只光敏二極管上，轉(zhuǎn)換成的電信號經(jīng)運(yùn)算后，產(chǎn)生誤差信號FE＝（A+C）－（B+D），驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整（精細(xì)調(diào)整）。

當(dāng)東、西、南、北方向的光敏電阻陣列、A、B、C、D中心區(qū)光敏二極管，E、F、G、H輔助光敏二極管全部檢測出無較強(qiáng)光線時(shí)，應(yīng)該是黑夜或陰雨天，此時(shí)太陽電池方陣不跟蹤；當(dāng)東、西、南、北方向的光敏電阻陣列檢測出無較強(qiáng)光線，E、F、G、H輔助光敏二極管、A、B、C、D中心區(qū)光敏二極管檢測出有較強(qiáng)光線但誤差接近為零時(shí)，實(shí)現(xiàn)全追蹤。

2 自動追蹤的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

太陽電池方陣自動全追蹤系統(tǒng)是由太陽電池方陣、球型光敏探測頭、AVR單片機(jī)、驅(qū)動電路、電磁閥、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)、電源電路組成，如圖3所示。

圖3 太陽電池方陣自動全追蹤系統(tǒng)

光敏探測頭探測太陽的位置，AVR單片機(jī)設(shè)置極限值（暗夜、陰雨光線很弱時(shí)太陽電池方陣不追蹤），當(dāng)光線達(dá)到一定值時(shí)檢測東、西、南、北方向的光敏電阻陣列，阻值小的說明被太陽光照射到，初步確定太陽的位置，AVR單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字處理后驅(qū)動相應(yīng)電路與執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整太陽電池方陣的朝向（注意設(shè)置運(yùn)動極限值：限位裝置具有東、西、南、北四個(gè)方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結(jié)構(gòu)，即控制信號限位和機(jī)械限位，保證了設(shè)備可靠地工作。），使光敏探測頭頂部A、B、C、D中心區(qū)光敏二極管和E、F、G、H輔助光敏二極管受光，AVR單片機(jī)再檢測EF、G－H的誤差電壓，細(xì)調(diào)太陽電池方陣的朝向，再檢測FE＝（A+C）－（B+D）誤差信號，對太陽電池方陣的朝向進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。將AVR單片機(jī)進(jìn)行設(shè)置，精細(xì)調(diào)整一次后下次對太陽電池方陣進(jìn)行調(diào)整需有一定的時(shí)間間隔，避免電磁閥、電機(jī)、液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)等頻繁啟動，損耗電能。AVR單片機(jī)通過驅(qū)動電路控制液壓泵的起動、停止，使液壓系統(tǒng)帶動太陽電池方陣始終朝向太陽，本系統(tǒng)之所以采用液壓系統(tǒng)而不采用其他控制系統(tǒng)的主要原因是：液壓系統(tǒng)功率——重量比大。在同樣功率的控制系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)體積小，重量輕。這是因?yàn)閷C(jī)電元件，例如電動機(jī)來說，由于受到激磁性材料飽和作用的限制，單位重量的設(shè)備所能輸出的功率比較小。液壓系統(tǒng)可以通過提高系統(tǒng)的壓力來提高輸出功率，這時(shí)只受到機(jī)械強(qiáng)度和密封技術(shù)的限制。在典型的情況下，發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的功率——重量比僅為16.8W/N，而液壓泵和液壓馬達(dá)的功率——重量比為168W/N，是機(jī)電元件的10倍。在航空、航天技術(shù)領(lǐng)域應(yīng)用的液壓馬達(dá)是675W/N。

3 AVR單片機(jī)及控制流程

圖4為AVR單片機(jī)控制流程。

圖4 AVR單片機(jī)控制流程

4 結(jié)束語

本文介紹了太陽電池方陣自動全追蹤系統(tǒng)，能使太陽電池方陣自動保持與太陽光垂直，該系統(tǒng)全追蹤準(zhǔn)確性高、可靠性強(qiáng)，能有效地提高太陽能的利用率和光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率。單軸太陽能追蹤系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)能增加25% 的功率輸出，而太陽能全追蹤系統(tǒng)比固定式系統(tǒng)能增加4l% 的功率輸出。符合環(huán)保、節(jié)能社會發(fā)展的需要，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，具有研究意義和推廣價(jià)值。

[1]薛建國.基于hym8563和單片機(jī)的低功耗太陽電池自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].沈陽工程學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2005(2):113-116.

[2]salah abdallah. two axes sun-tracking system with plc control[J]. energy conversion and management, 2004,45:1931-1939.

[3]王雪文.太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,34(2)：163-164

[4]zhang bo-quan, yang yi-min. status and trend of wind &photovoltaic power development [j]. electric power, 2006,39(6):65-69.

The design of solar cell phalanx with all the tracking system automatically

WANG Lin-wei

太陽能光伏技術(shù)的應(yīng)用在各國已成為竟相開發(fā)的綠色能源，在我國太陽電池方陣安裝多采用固定朝向，而太陽能存在密度低、間歇性、光照方向和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化的特點(diǎn)，為提高太陽能的利用率，筆者設(shè)計(jì)了一種太陽電池方陣全追蹤系統(tǒng)，使太陽電池方陣始終正對著太陽。

球型光敏探測頭；太陽電池方陣；全追蹤；AVR單片機(jī)；液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)

汪臨偉（1969－）男，副教授，主要研究方向?yàn)殡姎庾詣涌刂啤?/p>

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1009-0134(2010)12(下)-0149-04

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.12(下).54

2010-10-21