侯雷鳴，張 棟

（長安大學(xué)工程機(jī)械學(xué)院，陜西 西安 710064）

太陽能作為一種新型清潔能源具有眾多優(yōu)點，但是太陽能又存在著利用率不高的缺點[1]。為了提高太陽能轉(zhuǎn)換效率，往往在太陽能電池板的底部配置跟蹤裝置及驅(qū)動裝置，跟蹤裝置及驅(qū)動裝置在不同的時間段驅(qū)動太陽能電池板轉(zhuǎn)動一定角度[2]。在轉(zhuǎn)動過程中，轉(zhuǎn)動角度往往不能準(zhǔn)確測定，故需要一種能精確測定太陽能的最佳照射角度的裝置和方法，使太陽能電池板發(fā)揮最佳效果[3]。

1 研究背景

現(xiàn)有關(guān)于太陽能照射角度測定的方案有“GPS定位”“四象限光電式”和“光敏元件控制器”等，而“GPS定位”不僅系統(tǒng)成本高而且角度調(diào)整不能隨區(qū)域氣象條件實際調(diào)整；一般的“四象限光電式”跟蹤精度較低；“光敏元件控制”信號處理環(huán)節(jié)較多，誤差較大[4]。

筆者利用太陽能電池板不同光照角度下產(chǎn)生電壓不同的特點，設(shè)計一種成本低且控制環(huán)節(jié)少、精度高的太陽能照射角度測定裝置。

2 設(shè)計理念概述

為了實現(xiàn)對太陽角度的測量，測量裝置由互成角度的兩塊太陽能電池板組成，太陽能電池板同時連接低速精密電機(jī)，低速精密電機(jī)根據(jù)太陽能電池板產(chǎn)生的電壓差值，帶動太陽能電池組件朝著最佳的照射位置轉(zhuǎn)動，低速精密電機(jī)的尾端連接旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖信號[5]，通過控制器讀取脈沖信號獲得太陽能電池組件的轉(zhuǎn)動角度，即陽光照射角度。

3 裝置結(jié)構(gòu)示意圖及工作流程

3.1 結(jié)構(gòu)示意圖

陽光角度測量裝置由太陽能組件和旋轉(zhuǎn)編碼器、低速精密電機(jī)等組成。俯視圖如圖1所示。

圖1 陽光角度測量裝置俯視圖

太陽能電池組件封裝在一個固定尺寸的透明玻璃四方體中，其內(nèi)置可以自由轉(zhuǎn)動且成一定角度的兩塊太陽能電池板，透明玻璃四方體不僅可以透過陽光并且能夠防止外界環(huán)境的干擾；帶有旋轉(zhuǎn)編碼器的低速精密電機(jī)通過聯(lián)軸器與太陽能組件相連，低速電機(jī)轉(zhuǎn)動時會帶動旋轉(zhuǎn)編碼器并產(chǎn)生脈沖信號。陽光角度測量裝置正視圖如圖2所示，電路圖如圖3所示。

圖2 陽光角度測量裝置正視圖

圖3 陽光角度測量裝置電路圖

3.2 工作流程

當(dāng)陽光以一定傾斜角度照射到太陽能電池板上，其未處于陽光最佳照射角度時，第一太陽能電池板和第二太陽能電池板的正極會產(chǎn)生電壓差。電壓差驅(qū)動低轉(zhuǎn)速精密電機(jī)輸出力矩，再帶動太陽能電池組件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)?shù)谝惶柲茈姵匕迨艿降墓庹沾笥诘诙柲茈姵匕鍟r，第一太陽能電池板產(chǎn)生的電壓大于第二太陽能電池板，電機(jī)順時針旋轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)谝惶柲茈姵匕迨艿降墓庹招∮诘诙柲茈姵匕鍟r，低轉(zhuǎn)速精密電機(jī)逆時針旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)第一太陽能電池板和第二太陽能電池板產(chǎn)生電壓差的高低，可以產(chǎn)生不同大小的驅(qū)動力，當(dāng)?shù)谝惶柲茈姵匕搴偷诙柲茈姵匕瀹a(chǎn)生較高的電壓差時，便產(chǎn)生較大的驅(qū)動力和轉(zhuǎn)動速度，從而帶動太陽能電池板組件快速朝著最佳的照射位置轉(zhuǎn)動。當(dāng)接近陽光的最佳照射位置時，第一太陽能電池板和第二太陽能電池板會產(chǎn)生相對較低的電壓差，產(chǎn)生較小的驅(qū)動力和較低的轉(zhuǎn)動速度，帶動太陽能電池板組件精確地到達(dá)陽光最佳照射位置。低速精密電機(jī)轉(zhuǎn)動時帶動旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖信號，通過控制器讀取脈沖信號就可得太陽能電池組件的轉(zhuǎn)動角度，即陽光照射角度。

4 結(jié)語

綜上所述，該測定裝置能夠?qū)崿F(xiàn)陽光照射角度測定的閉環(huán)控制，控制環(huán)節(jié)少，控制精度高。同時相較于現(xiàn)有的其他追蹤系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價低。太陽能電池板不同光照角度下產(chǎn)生的電壓不同，利用電壓差可驅(qū)動低速精密電機(jī)帶動太陽能電池組件朝著最佳的照射位置轉(zhuǎn)動，低速精密電機(jī)的尾端連接旋轉(zhuǎn)編碼器，旋轉(zhuǎn)編碼器輸出脈沖信號，讀取脈沖信號即可獲得陽光照射角度。