楊幟 張銘顯 孫天宇 趙晴 李金奪 彭曉旭

摘 要：為了更高效的采集并利用太陽能，緩解不可再生能源匱乏的問題，需要設(shè)計(jì)一種高效的太陽能自動追光裝置。本文設(shè)計(jì)了一種可用于多種供電環(huán)境下的太陽能自動追光裝置。追光方式采用視日追蹤與光電追蹤相結(jié)合的方式，根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間與光強(qiáng)傳感器采集的數(shù)據(jù)精準(zhǔn)判斷太陽位置，適用于各種天氣情況。在太陽能轉(zhuǎn)動方式上采用了雙軸驅(qū)動，使用減速電機(jī)和推桿電機(jī)推動太陽能板在水平和垂直兩個(gè)方向上轉(zhuǎn)動，提高了采光效率。并且選取了能耗極低的傳感器和電機(jī)，以降低系統(tǒng)功耗。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，自動追光方式比固定追光所接收的太陽能提升了近40%?？梢詫⒉杉奶柲芄┙o其他用電環(huán)境，本裝置功耗低效率高，具有節(jié)能減排的作用和很高的社會效益。

關(guān)鍵詞：低功耗；雙軸追光；自動控制；節(jié)能減排；可再生能源

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

太陽能是一種可再生的清潔能源，同時(shí)我國的太陽能資源十分豐富，因此充分開發(fā)和利用太陽能可以很好地解決能源匱乏問題。在太陽能發(fā)電的系統(tǒng)中，太陽能板單位面積所接收的光照強(qiáng)度決定了太陽能板所吸收的實(shí)際能量。但目前市場上大多數(shù)是固定式太陽能板，研究表明，當(dāng)使用同等面積、相同轉(zhuǎn)換率的太陽能板時(shí)，如果太陽能板能始終面向太陽光，太陽能板至少可以提高35%的接收效率，所以如何讓太陽能板隨太陽光移動是必須要解決的問題。

1 自動追光系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

整個(gè)系統(tǒng)由供電系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、感光系統(tǒng)和追光系統(tǒng)四部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)采用了以下兩種追光方式相結(jié)合進(jìn)行控制。

1.1 視日追蹤方式

要對太陽的運(yùn)動進(jìn)行準(zhǔn)確描述，就需要用太陽的高度角和方位角進(jìn)行表示。太陽的高度角和方位角示意圖如圖2所示。

太陽高度角和方位角可由當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)?shù)氐木暥扔?jì)算得到，計(jì)算方式如下：

①高度角的計(jì)算：

sinα=sinγsinβ+cosγcosβcosω （1）

式中：γ為太陽赤緯角；φ為當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥冉牵沪貫闀r(shí)角：ω=（T-12）×15°。

②方位角的計(jì)算：

（2）

依靠得到的方位角跟高度角便可決定太陽能板橫向與縱向的調(diào)整角度從而實(shí)現(xiàn)追光。

1.2 光電追蹤方式

采用6個(gè)光照強(qiáng)度傳感器，均勻分布在太陽能板的四周，每個(gè)長邊放置兩個(gè)，每個(gè)短邊放置1個(gè)。用這6個(gè)傳感器反饋的數(shù)據(jù)，根據(jù)權(quán)值分析，計(jì)算得到橫向差值與縱向差值，然后根據(jù)數(shù)值，通過PID控制電機(jī)驅(qū)動輸出PWM，分別實(shí)現(xiàn)對推桿電機(jī)和減速電機(jī)反饋控制。

2 系統(tǒng)分析與驗(yàn)證

2.1 理論計(jì)算部分

本系統(tǒng)利用的太陽能板，長630mm，寬540mm，面積為0.3402m2。在不考慮當(dāng)?shù)氐奶厥馓鞖猓ㄈ珀幪欤┑挠绊憰r(shí)，每平方米太陽能板所接受的太陽能輻射量如：

SI=2∫T/2

0 α（Ψ）cosΨ''dt （3）

其中T是該月份的平均日長，α是空氣質(zhì)量下的光照量。

當(dāng)光線穿過大氣時(shí)會被部分吸收和散射，與法線夾角越大，經(jīng)過的大氣長度越大，光線被散射和吸收的程度加劇，此時(shí)α的值減小。α的取值與角度Ψ（如圖3所示）的關(guān)系如下：

α=-4×10-6Ψ 3+0.0003Ψ 2-0.0078Ψ+1.0926 （4）

Ψ取決于Ψ'，Ψ'是中午時(shí)刻太陽在南北方向移動時(shí)與水平面法線形成的夾角。θ是太陽在東西方向移動時(shí)與水平面法線形成的夾角，這些角度之間的關(guān)系如下：

tan2Ψ=tan2Ψ+tan2θ （5）

其中

（6）

t=0對應(yīng)日出時(shí)刻，t=T/2對應(yīng)中午時(shí)刻。中午太陽角度的平均值Ψ'以及每個(gè)月份的日平均長度（從日出到日落）可查找相關(guān)資料得出。

φ為太陽能板相對于地面的南北夾角，如圖4所示，此時(shí)角度關(guān)系如下：

tan2Ψ''=tan2（Ψ'-φ）+tan2θ （7）

已知哈爾濱的緯度為45°，假定當(dāng)前月份為四月，從附錄中查表可得： Ψ'=39°，T=12.64h，將這些量代入公式得

SI=6.053kW·h/m2 （8）

即在太陽能板固定不動時(shí)，太陽能板當(dāng)月平均

每天接受的太陽輻射量為

6.053kW·h/m2×0.3402m2≈2.06kW·h （9）

當(dāng)采用雙軸系統(tǒng)追光時(shí)，對光照傳感器采集到的光照強(qiáng)度進(jìn)行分析，及時(shí)調(diào)整太陽能板角度，始終讓太陽光直射在太陽能板平面上，在東西方向上，相當(dāng)于固定型太陽能裝置始終保持t=T/2，此時(shí)θ=0；在南北方向上，由幾何關(guān)系知，Ψ'=θ，即

Ψ''=0 （10）

所以cosΨ''=0，將已知量代入得

SI=10.005kW·h/m2 （11）

即采用雙軸系統(tǒng)追光時(shí)，太陽能板當(dāng)月平均每天接受的太陽輻射量為

10.005kW·h/m2×0.3402m2≈3.40kW·h （12）

經(jīng)上述理論計(jì)算可見，采用雙軸系統(tǒng)追光接受的太陽能輻射量與固定型太陽能板相比提高了將近40%。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證部分

圖5為太陽能自動追光系統(tǒng)的實(shí)物圖，自動追光系統(tǒng)裝置外部尺寸為1500mm×1000mm×1200mm。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證利用電壓表、電流表與功率表分別核算固定太陽能板和追光太陽能板的采光效率。

將裝置放在無遮擋的戶外進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從上午8點(diǎn)開始，固定式太陽能板和跟蹤式太陽能板（太陽能板技術(shù)參數(shù)：額定功率（W）：50、工作電壓（V）：18.2、工作電流（A）：2.7）同時(shí)發(fā)電，用萬用表測定太陽能板的電壓和電流，每隔30min讀取一次數(shù)據(jù)，連續(xù)照光9h，根據(jù)測出的功率數(shù)據(jù)作圖表示如圖6所示。

結(jié)論

本文從系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理、分析與驗(yàn)證和軟件流程3個(gè)方面介紹了整個(gè)太陽能自動追光裝置及節(jié)能減排驗(yàn)證。從社會效益分析，太陽能追光系統(tǒng)適應(yīng)了當(dāng)前大力推廣太陽能發(fā)電的趨勢。經(jīng)調(diào)研，用追光式太陽能板替代現(xiàn)有的固定式太陽能板，將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

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