鄭智 張洋

摘要：進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代以來(lái)，隨著科技、經(jīng)濟(jì)等各方面的迅猛發(fā)展，能源短缺已是全人類需要共同應(yīng)對(duì)的難題。太陽(yáng)能作為一種資源豐富、可免費(fèi)使用、無(wú)運(yùn)輸成本、對(duì)環(huán)境友好的可再生能源，為全球創(chuàng)造了環(huán)保的生活形態(tài)，使社會(huì)及人類文明進(jìn)入一個(gè)節(jié)約能源減少污染的時(shí)代。目前，太陽(yáng)能采集的最普遍方法是利用太陽(yáng)能光伏電池，然而現(xiàn)階段的材料發(fā)展情況使太陽(yáng)能發(fā)電還存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。本裝置所設(shè)計(jì)的光伏追蹤發(fā)電模式可以使光伏發(fā)電面板一直追蹤太陽(yáng)，在不改變現(xiàn)有材料的情況下提高光伏發(fā)電面板的效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的充分利用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能;太陽(yáng)追蹤;光伏發(fā)電;Arduino

在追蹤裝置設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)過(guò)全方位的比較，選擇使用光敏電阻矩陣作為感光模塊、開(kāi)源編程Arduino控制板作為控制模塊 、伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)模塊、單晶硅太陽(yáng)能板作為發(fā)電模塊。在設(shè)計(jì)完成整體傳動(dòng)結(jié)構(gòu)后，根據(jù)裝置中不同模塊的特性進(jìn)行了細(xì)致的走線、拼接、固定，最終測(cè)試完成了追蹤裝置并進(jìn)行了需求的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。

裝置設(shè)計(jì)采用圍繞Arduino控制器為主控，接收其他電路進(jìn)行伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，在整個(gè)設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了控制器的性能參數(shù)，兼顧了節(jié)約成本最終得出了此設(shè)計(jì)方案。根據(jù)控制的需求與實(shí)際選用元器件的搭配，繪制出了太陽(yáng)追蹤器的系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖，如圖1所示。

1感光模塊

1.1傳感單元設(shè)計(jì)

整個(gè)追蹤裝置中，傳感器單元的設(shè)計(jì)是最重要的部分。追蹤器效果的好壞與否同傳感器的選擇和集成設(shè)計(jì)有著直接的聯(lián)系。本裝置準(zhǔn)備采用四分法將傳感器劃分為四個(gè)矩陣集中于一個(gè)單元之中，以期對(duì)光強(qiáng)形成差異比較，進(jìn)而更精確的追蹤最強(qiáng)光源點(diǎn)。

1.2傳感器選擇

采用半導(dǎo)體材料制作而成的光敏電阻利用內(nèi)光電效應(yīng)工作，在一般情況下，光線越強(qiáng)其阻值會(huì)越小。由于在地面觀測(cè)太陽(yáng)移動(dòng)其實(shí)是一個(gè)緩慢的過(guò)程，且不是在天氣變化較大的日子里，太陽(yáng)也不會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)在短時(shí)間內(nèi)大幅度變化的情況，所以，擬使用四個(gè)同型號(hào)的普通環(huán)氧樹(shù)脂封裝的光敏電阻作為基本感光元件，按照坐標(biāo)軸四象限進(jìn)行排列分布。

2控制模塊

2.1控制邏輯設(shè)計(jì)

相對(duì)地面來(lái)講，太陽(yáng)在天空中的移動(dòng)十分緩慢，所以追蹤器不必達(dá)到秒級(jí)實(shí)時(shí)追蹤，僅需間隔單位時(shí)間進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，間隔追蹤便可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)追蹤器的需求。光敏電阻的感光元件在數(shù)據(jù)處理上不復(fù)雜，總體需求比較簡(jiǎn)單，所以控制器的運(yùn)算能力無(wú)需很強(qiáng)。由于裝置是全天候運(yùn)行，且運(yùn)行的環(huán)境主要在室外，經(jīng)常會(huì)遇到強(qiáng)風(fēng)、雷雨等惡劣天氣，因此控制器的穩(wěn)定性必須作硬性的高要求，同時(shí)功耗方面也應(yīng)盡量少。

2.2開(kāi)發(fā)程序選擇

Arduino IDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）可跨平臺(tái)通用，在Windows、MacOS、Linux等主流操作系統(tǒng)中都能使用，而且Arduino在使用上非常簡(jiǎn)單，即便沒(méi)有單片機(jī)基礎(chǔ)技術(shù)也能快速上手，這樣能夠大大節(jié)約學(xué)習(xí)成本、縮短開(kāi)發(fā)周期，根據(jù)本裝置所需的I/O接口特性和數(shù)目等綜合考量，最終選擇Arduino UNO作為控制板。

3驅(qū)動(dòng)模塊

3.1驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本裝置使用的太陽(yáng)能光伏面板質(zhì)量較小，且設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)較為緊湊對(duì)電機(jī)扭矩要求較低，因此，電機(jī)的選擇中需要側(cè)重考慮電機(jī)控制的方便性。光敏電阻對(duì)電機(jī)的有效運(yùn)行進(jìn)行特別反饋，再根據(jù)Arduino對(duì)各種特性電機(jī)控制的便捷性，舵機(jī)是比較適合的一種驅(qū)動(dòng)工具。

3.2舵機(jī)選擇

由于普通舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度只有0°—180°[1]，在俯仰軸方向是符合設(shè)計(jì)要求的，但水平軸要求在平面內(nèi)360°轉(zhuǎn)動(dòng)，如果使用普通舵機(jī)則需要進(jìn)行一定的處理?？紤]到本裝置中所需的扭矩不大，對(duì)齒輪的沖擊較小，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)要符合本裝置中的傳動(dòng)需求所以選擇360°類步進(jìn)電機(jī)的舵機(jī)是最適合的，而且其能直接使用Arduino中servo函數(shù)對(duì)其進(jìn)行控制。

4發(fā)電模塊

4.1轉(zhuǎn)化效率

目前，對(duì)太陽(yáng)能的利用有光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種主要形式[2]，相比起傳統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換，更理想的使用方式是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能，但現(xiàn)階段光熱電轉(zhuǎn)化的技術(shù)瓶頸尚未解決，光伏發(fā)電若能形成規(guī)模化降低發(fā)電成本，運(yùn)用前景非常廣泛。但就現(xiàn)階段情況來(lái)看，受限于材料技術(shù)發(fā)展和預(yù)算成本的綜合考量，各種太陽(yáng)能發(fā)電裝置在性價(jià)比和效率上都不能達(dá)到十分令人滿意的狀況。目前整體情況來(lái)說(shuō)，單晶硅太陽(yáng)能發(fā)電介質(zhì)的效率普遍能達(dá)到16%～22%，多晶娃為14%～16%，非晶珪為10%左右。

4.2光伏發(fā)電面板選擇

太陽(yáng)能光伏發(fā)電板的尺寸、重量直接關(guān)系著跟蹤器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、電機(jī)選擇等方面，是追蹤裝置設(shè)計(jì)中最基礎(chǔ)的一部分，根據(jù)現(xiàn)有條件，擬選擇一塊型號(hào)為5W的半柔性單晶硅太陽(yáng)能光伏發(fā)電板作為本裝置所選用的發(fā)電模塊。

5儲(chǔ)電監(jiān)測(cè)

由于5W的光伏發(fā)電面板進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換所產(chǎn)生的電量非常有限，在本裝置中將用一節(jié)7號(hào)充電電池進(jìn)行電能的接收。在光強(qiáng)很弱的情況下所轉(zhuǎn)換的電能更是有限，所以本裝置外接了一個(gè)靈敏電壓表進(jìn)行裝置是否正常運(yùn)行的監(jiān)測(cè)。

6裝置模型

以下為整個(gè)太陽(yáng)追蹤發(fā)電裝置的圖，如圖2。

7需求擴(kuò)展

隨著物聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，未來(lái)通過(guò)集成化網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行控制已是大勢(shì)所趨[3]，本裝置基于此種場(chǎng)景化考量，預(yù)留了數(shù)據(jù)信號(hào)上報(bào)接口，根據(jù)數(shù)據(jù)采集器（DTU）周期性的上報(bào)采集傳感器數(shù)據(jù)信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)PC端或移動(dòng)的程序進(jìn)行分析運(yùn)算后展示給用戶，用戶通過(guò)反饋對(duì)追蹤裝置介入精準(zhǔn)控制。

參考文獻(xiàn)：

[1] 韓英永.基于DSP的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].通信電源技術(shù)，2020，37（1）：59-62.

[2] 王長(zhǎng)貴巧發(fā)利用新能源與可再生能源的重大意義[J].太陽(yáng)能，2000（4）：6-7.

[3]譚艷萍，羅永，熊琰.“新工科”背景下的物聯(lián)網(wǎng)控制課程教學(xué)改革研究[J].信息系統(tǒng)工程，2019（12）：166-167.