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追蹤控制系統(tǒng)設(shè)計研究

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跟蹤控制系統(tǒng)的基本設(shè)計原理，系統(tǒng)硬件組成和控制算法。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種跟蹤精度高，結(jié)構(gòu)簡單，控制可靠的太陽跟蹤系統(tǒng),現(xiàn)主要采用跟蹤太陽位置的方式最大限度地獲得輸出功率,有效地提高了太陽能的利用效率。

【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)和太陽的公轉(zhuǎn)，導(dǎo)致一年春夏秋冬四季變換、每天日升日落，對于傳統(tǒng)的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，因為都是固定與某一地點，然而太陽的光照角度有是隨時變化的，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)計可以對太陽光照進(jìn)行跟蹤，最大限度地提高太陽光能利用率。因此在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，只要有效地保證太陽能電池板能夠一直正對太陽，才會使太陽能電池板的發(fā)電效率達(dá)到最高。而目前市場上通用的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是計算一年中太陽所在的角度，其原理是根據(jù)安放地點的經(jīng)緯度等信息進(jìn)行整合計算確定固定的光線接收位置，但同時也存在一旦安裝便不易裝拆或移動的缺點。每次拆裝或移動之后就必須重新調(diào)整各個參數(shù)和設(shè)定數(shù)據(jù)，因此此類傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)對后續(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光，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號,進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)，單片機(jī)將采集的信號進(jìn)行系統(tǒng)的分析和比較,隨之輸出控制信號產(chǎn)生步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向動作。從而始終讓入射光線垂直于太陽能電池面板,從而達(dá)到最高效率利用太陽能的目的。本新型設(shè)計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，提高了太陽跟蹤精度，完美實現(xiàn)適時跟蹤，使太陽光能利用率達(dá)到最大限度地提高，可以廣泛地應(yīng)用于各類需要太陽能發(fā)電和進(jìn)行太陽跟蹤的設(shè)備中。

1　系統(tǒng)的總體構(gòu)成（如圖1所示）

本系統(tǒng)由檢測電路、信號放大電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動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

利用光敏電阻在光照時阻值發(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屬性完全相同的光敏電阻。該設(shè)計性能穩(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

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。首先太陽光射入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，隨后放大器將此模擬電信號放大送入單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)采集得到的信號進(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。隨之輸出控制信號產(chǎn)生步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向動作，從而使太陽能電池面板始終垂直于入射光線，進(jìn)而最終實現(xiàn)太陽能的高利用效率。

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材料完全相同的光敏電阻。當(dāng)太陽光線與太陽能電池板成直角時，因此也就保證了兩個屬性完全相同光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，由此這兩個光敏電阻的阻值也相同，此時由單片機(jī)控制的核心控制系統(tǒng)發(fā)出信號使電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光線與太陽能電池板垂直方向出現(xiàn)一定夾角時，此時兩塊光敏電阻接收的太陽光線量開始發(fā)生變化，光敏電阻將此光線接受不平衡信號反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)發(fā)出信號使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，經(jīng)過不斷感應(yīng)和調(diào)節(jié)，最終達(dá)到時刻追蹤太陽光線的效果，在此我們稱之為光敏電阻光強(qiáng)比較法。

如圖3所示，其優(yōu)點在于能夠較為容易地實現(xiàn)電路設(shè)計并精確地控制系統(tǒng)。

圖3　設(shè)計電路原理圖

4　結(jié)語

本設(shè)計特點與創(chuàng)新之處在于使用光電傳感器接收太陽光，通過光敏電阻將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換后將電信號送入單片機(jī)，單片機(jī)控制系統(tǒng)將采集的信號進(jìn)行比較分析，隨后輸出控制指令控制步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向，在一定范圍內(nèi)使太陽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能的目的。

由此我們可以在各種需要太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備上安裝本基于光敏電阻的太陽追蹤控制系統(tǒng)，如火車、汽車、以及通訊應(yīng)急車、特種軍用汽車、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，智能太陽跟蹤儀都能保證設(shè)備的要求跟蹤部位正對太陽。

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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級通信工程專業(yè)，研究方向：通信。

作者簡介：