一种太阳能自动跟踪系统的设计

杨克立，李 强

（中原工学院，郑州450007）

近年来能源短缺问题成为世界各国面临的世界性难题，新能源开发是目前的一个研究热点.在节能环保的主题下，世界各国都把目光转向太阳能这一清洁且极具开发潜力的能源.在我国，虽然太阳能可开发利用资源非常丰富（每年约17 000亿吨标准煤当量），但光伏发电产业起步较晚，通常是采用太阳能电池板固定朝南安装的方式对太阳能进行采集［1］，技术落后导致其利用率不高，普及也受到限制.在相同的条件下，如果使太阳能电池板的法向与太阳辐射方向平行，则与朝南固定安装的太阳能接收的能量之比约为3∶1.据此理论分析可知，如果使太阳能电池板的法向始终与太阳辐射方向平行，即采用太阳跟踪的方式，则与采用非跟踪方式的太阳能相比能量接收率相差37.7%［2］.因此，在太阳能装置中运用精确有效的太阳方位自动跟踪技术将是解决目前我国太阳能利用困境的重要方法之一.

基于精确的方位自动跟踪技术，可以使太阳能的接收效率大大提高.目前光伏发电跟踪系统正处于研究应用中.文献［3］提出了倾纬度角跟踪方案，其结构虽然简单，但因是单轴跟踪，接收效率不高；文献［4］提出了一种时钟追踪方式，该方法虽然采用双轴追踪，但是俯仰角的确定涉及到正弦函数的计算，若采用数据库查找的方式，则必须有一个庞大的专家系统，这也会增加系统反应时间，使得功耗较高；文献［5］、［6］提出了四象限传感器加上时钟追踪双轴系统的方案，该系统效率虽然很高，但是传感器装置存在着安装及入射角范围等诸多方面的问题，再加上系统设计较为复杂，故不利于工程的设计与应用.本文在分析总结现有跟踪技术优缺点的基础上，设计出了一种性能更加优越的太阳能自动跟踪系统.

1 自动跟踪系统设计原理

太阳能电池板吸收太阳辐射的多少与太阳辐射入射光线和光伏电池板法向线之间的夹角（即入射角）有关，入射角越小，电池板吸收的太阳辐射能量就越多.自动跟踪系统设计是根据太阳的运行轨迹尽可能调整电池板法向线空间角度，使入射角无限接近于零.太阳光入射角可分解为高度角和方位角，且随昼夜和季节变化.因此，本文采用方位－高度双轴跟踪系统，其原理如图1所示.1、2、3、4和5为五象限电池板，其中2象限与4象限、1象限与3象限均对称放置、面积相等且都与5象限保持同样微小夹角，当太阳光非垂直照射在5象限电池板上时，2象限与4象限、1象限与3象限电池板上就会产生不相等的电压信号，信号被放大后送给单片机进行和差运算处理，处理后的2象限与4象限电池板的信号控制方位角电机转动，1象限与3象限控制高度角电机转动，直至2象限与4象限、1象限与3象限电池板上产生相等的电压信号，即阳光非垂直照射在5象限电池板上时停止.5象限电池板具有双层特殊结构，当出现异常天气时可使系统具有智能判断及节能降耗的功能.

图1 自动跟踪系统原理框图

2 自动跟踪系统硬件设计

该系统以AT mega16L单片机为核心实现智能控制，其整体上可分为执行系统和反馈系统2部分.其中，执行系统具体涉及42H4630步进电机和驱动电路；反馈系统包含2DU10系列硅光电池和放大电路.该系统结构图如图2所示.

2.1 单片机AT mega16L

图2 自动跟踪系统硬件框图

AT mega16L是爱特梅尔公司生产的一款物美价廉的单片机，内嵌高性能、低功耗的8位AVR微处理器，采用先进的RISC结构.芯片内部具有1 6KB的系统内可编程FLASH，以及4通道PWM接口，尤其是片内外设8路10位ADC，可以方便地处理来自外部的模拟输入信号［7］.用AT mega16L作为核心控制器，可以方便地处理五象限电池板的输出信号并快速地控制步进电机跟踪动作.

2.2 执行系统

执行系统主要包括步进电机及其驱动控制电路和五象限电池板机械传动系统.该系统负责调控五象限太阳电池板的法线方向.本文选取42H4630款步进电机，利用L297和L298搭建设计的步进电机及其驱动控制电路（如图3所示），可以将步进角度进行256细分，实现精确控制.

五象限电池板机械传动系统如图4所示.步进电机1和2采用垂直双轴结构，步进电机1负责环绕纵向主轴1转动以实现方位角调整；步进电机2负责环绕横向主轴2转动以实现高度角调整.2种转动的合成必然可以将五象限太阳电池板的法向调整至正对太阳光，从而获得最大的光照能量.步进电机1固定在底座里面，齿轮1与步进电机1固定连接，齿轮2与主轴1固定连接，主轴1相对底座可以自由转动，支撑轴承选用带法兰边的轴承.支架与主轴1固定连接，步进电机2固定在支架上面，五象限电池板与主轴2固定连接.本系统结构简单，制造成本低.光电传感单元可以放在五象限电池板的下面，步进电机1和控制单元可以放在底座里面，硬件及控制系统较好的保护使装置的安全可靠性较高.

执行子系统执行光源跟踪的前提是此时吸收的光照能量必须超过某一阈值，否则将不能保证调整后吸收的总能量与机械转动耗能之差值大于不调整时所吸收的总能量.在此前提下，太阳能吸收效率将达到峰值.而反馈系统的目的正是为了构造闭环控制以保证这个前提.

图3 步进电机驱动控制电路图

图4 垂直双轴的机械传动结构图

2.3 反馈系统

反馈系统是实现快速追踪并低耗地完成闭环控制的关键，该系统包括时钟模块、数据处理模块和防干扰模块.时钟模块主要由时钟芯片DS1302向系统提供实时时间，该时间用作启用跟踪的标准时间，并可根据当地季节光照情况而定，能够很大程度上减少追踪电耗.开启了涓流充电功能之后，在整个系统断电的情况下，它能够正常运转，系统重新上电后只需要重新读取时间即可.数据处理模块由2DU10系列硅光电池板和电压信号放大电路构成，主要负责将1、2、3、4和5这5个象限的太阳电池板的输出信号送微控制器进行处理和比较.其中，硅光电池是基于光生伏特效应而制成，且具有较大面积的PN结，当太阳光照射在其表面时，在PN结的两端将出现电动势.当太阳光非垂直照射在5象限电池板上时，其余4个象限获得的能量将存在差值.为消除这4个象限的4块相同型号的太阳能电池板可能存在的参数差异，在电池板输出端分别串入4个503型号电位器.试验中测得在正午日光条件下电池板输出电压为0.45V，此电压信号太小，若要单片机内置A／D处理，必须将信号放大.其信号放大电路设计如图5所示.

防干扰模块是由判断光强信号的5象限的2块光电池组成，如图6所示，左边光电池板接收太阳辐射，右边光电池板受光面背光.左光电池可以实现判断太阳直射辐射强度的目的：在直射辐射较弱时，将信号回馈给单片机，不启动跟踪程序，从而避免多云天气的盲目跟踪，节约电能.右光电池的作用为：当长时间阴天或多云转晴后太阳重新出现时，实现判断太阳直射辐射的强度，将信号回馈给单片机，以决定是否启动跟踪程序.

3 自动跟踪系统软件设计

3.1 程序设计流程

主程序设计流程示意图如图7所示.AT mega16L单片机在五象限电池板转换输出电压大于阈值1时便进入低功耗模式，当转换输出电压小于阈值1时，通过电压比较器边沿触发中断唤醒单片机进入正常模式.在正常模式工作状态下，只有4个象限转换电压两两间最大差值超过阈值2时，才会驱动执行子系统进入跟踪算法，否则微控制器保持静止以减小功耗.

图5 五象限电池板输出信号放大电路设计图

3.2 跟踪算法

四象限电池板的具体位置如图1所示.其中，2象限与4象限用于比较方位角，构成A组；1象限与3象限用于比较高度角，构成B组.在调整前首先要找出输出电压之差比较大的那一组（假设为B组），然后比较B组2个象限的电压值.如果1象限与3象限的电压差值大于阈值，调整高度角电机，再比较1象限与3象限的电压值，直到两个电压的差值小于阈值为止.这样做的目的是找出电压差值大的那一组，则可知在此方向上的电池板角度更需要调整，以使电池板更早地进入发电状态.在经过高度角的调整之后，再比较另一组（A组）电压，如果电压差值大于阈值，调整方位角电机，再比较2象限与4象限的电压值，直到两个电压的差值小于阈值为止.跟踪算法流程如图8所示.经过实际测试，证实这种跟踪算法比较高效.

4 试验结果分析

2011年9月18日，作者运用此装置进行了太阳能自动跟踪测量太阳辐射强度的试验.为验证其自动追踪效果，采用2只同样的测量辐射计，从6∶00到20∶00实测太阳的辐射强度.一只安装在采用了太阳能自动跟踪装置的太阳能电池板上，另一只安装在朝南35°固定安装的太阳能电池板上.测量辐射计与数据记录仪相连，数据记录仪与电脑连接，每5min记录1次数据.在整个测量过程中，天气晴朗无云.试验结果如图9所示.其中■表示自动追踪太阳能电池板上的辐射计数据，●表示固定朝南35°太阳能电池板上的辐射计数据.从图9可以明显看出，运用本装置可显著提高太阳能利用率30%以上.

图8 跟踪算法流程图

5 结 语

图9 2种太阳能利用装置的太阳能辐射强度数据曲线

本文所设计的太阳能自动跟踪系统采用垂直双轴机械结构，以五象限光电池作为太阳跟踪误差校正用传感器，AT mega16L作为核心控制器，能昼夜自动控制，全天自动追踪，天气异常时可自动识别.闭环系统和低功耗设计，保证了系统的稳定、精确与节能.理论分析和试验结果表明，本装置能够显著提高太阳能利用率，具有较高的实用价值.

［1］田玮，王一平，韩立君.聚光光伏系统的技术进展［J］.太阳能学报，2005，26（4）：155－162.

［2］吴红山.太阳能的应用现状及发展前景［J］.科技信息（学术研究），2008（7）：72－74.

［3］窦伟，许洪华，李晶.跟踪式光伏发电系统研究［J］.太阳能学报，2007，28（2）：169－173.

［4］Helwa N H，Bahgat A B G，EL Shenawy A M R，et al.Maximum Col－lectable Solar Energy by Diferent Solar Tracking Systems［J］.Energy Source，2000，22：23－34.

［5］冯静，张龙，刘先立.四象限太阳跟踪传感器的设计［J］.新能源与新材料，2010（4）：13－15.

［6］冯龙龄，邓仁亮.四象限光电跟踪技术中若干问题的探讨［J］.红外与激光，1996，25（1）：16－21.

［7］沈文，LEE E，詹卫前.AVR单片机C语言开发入门指导［M］.北京：清华大学出版社，2009：299－307.