一种基于双轴的太阳能自动跟踪装置

张新亮

（南通纺织职业技术学院，江苏 南通 226007）

0 引言

能源是人类生存发展的物质基础，当前，随着全球经济的快速发展，包括我国在内的各国对能源的需求与日俱增。太阳能作为一种可再生的新能源，受到世界各国的关注。如何提高光伏组件的能量转换效率一直是太阳能利用的焦点，实现对太阳运动轨迹的自动跟踪是提高光伏组件转换效率的有效方法。据相关研究指出，光伏发电阵列进行太阳运行轨迹跟踪时，可以比固定式阵列提高33%的效率［1］，且太阳自动跟踪越精确，其发电效率越高。基于以上目的，本文提出了一种基于双轴的太阳能自动跟踪装置。

1 硬件结构组成

图1为太阳能自动跟踪装置的结构框图，该装置为基于Msp430F149单片机的双轴跟踪装置。系统可以在方位角、高度角两个自由度上跟踪太阳运行轨迹。本装置由四象限探测器、时钟电路、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整模块组成。

图1 太阳能自动跟踪装置的结构框图

1.1 四象限探测器的结构及工作原理

当四象限探测器接收阳光时，将会在光敏探测器上产生光斑，当光斑的中心与四象限探测器的中心不重合时，则说明太阳的位置发生了偏移。图2为光斑与四象限探测器中心位置关系，图2（a）为两个中心相重合，即信号采集传感器与阳光照射方向相垂直；图2（b）为两中心不重合，用Δx表示光斑与四象限探测器中心位置在x轴上的偏差量，Δy表示在y轴上的偏差量。

1.2 电流信号处理电路

四象限探测器输出的信号类型是微弱电流信号，A/D转换芯片只能够对电压信号进行处理，因此需要信号处理电路将电流信号转换成A/D采集模块识别的电压信号。转换电路如图3所示。

图2 光斑与四象限探测器中心位置示意图

图3 四路电流转电压信号电路

由计算可得到太阳光线在x和y方向的实际偏差值：

其中：U1，U2，U3，U4为对应的转换电压；R为太阳光的偏移角度。图3中，IN1，IN2，IN3，IN4为四路光电流信号，图4反相电路同样采用LM148，输出的电压信号经过反相跟随后输出A/D转换芯片能够识别的电压信号AD0、AD1、AD2、AD3。

图4 反相电路

1.3 步进电机驱动电路

步进电机驱动电路如图5所示，该电路可以对控制电路输出的脉冲进行环形分配和功率放大，从而控制步进电机的转动。当控制电路发出一个脉冲信号和一个正方向信号时，通过DMD403进行环形分配和功率放大后，步进电机顺时针转动；当DIR端口加负方向信号时，步进电机逆时针转动。

图5 步进电机驱动电路

2 软件设计

整个自动跟踪是在Msp430F149［2］单片机的协调控制下完成，主程序流程图见图6，系统的软件程序主要由中断程序及若干子程序组成。软件部分主要完成以下工作：

（1）开机初始化：包括单片机内部定时器初始化、模数转换模块初始化等。

（2）时间判断：判断装置运行的时间是否在8：00～18：00之间，若不在8：00～18：00之间时，自动跟踪装置停止工作；根据地区的不同，装置可以由软件改动时间，到18：00之后，自动跟踪装置停止工作并固定在原位置直至20：00，之后复位。

（3）跟踪方式选择：晴天时，系统选择光电式跟踪；否则，采用时钟式跟踪。

基于双轴的自动跟踪装置采用光电式跟踪和时钟式跟踪相结合的方式，两种跟踪方式可自动切换。光电式跟踪实时采样太阳的空间位置数据，通过控制电路来比较分析太阳运行轨迹变化，驱动步进电机跟踪太阳的位置。时钟式为辅助跟踪，在乌云或阴天等天气条件较差的情况下，采用此方式跟踪控制。太阳每天转动360°，假设装置每N分钟转动一次，则一天中装置每次应转动（N/4）°，该太阳能自动跟踪装置的N取值为5min［3］，即每5min跟踪装置转动1.25°。在天气晴朗时，太阳光较强，装置采用光电式跟踪模式；在有乌云或阴雨天等较差天气条件下，由于光线较弱，装置将自动切换到时钟式跟踪模式。

图6 主程序流程图

3 实验论证

取两组性能参数相同的光伏组件，一组按当前地理位置的最佳角度固定式安装，另一组运用自动跟踪装置，图7（a）为晴朗的天气条件下，测试两组光伏组件得到的采样光强；图7（b）为中午前后突然降雨，两组光伏组件采样的光强。

图7 双轴跟踪与固定式安装光伏系统的采样光强

比较两种安装方式在不同天气情况下的采样光强。晴朗天气条件下，固定安装式的光伏组件全天只在11：00～14：00这段时间，共计3h左右，光强达到1 000W/m2。自动跟踪式的光伏组件光强达到1 000 W/m2左右，时间则从9：00～16：00，近7h。在天气突变条件下，双轴跟踪方式相比于固定式，光伏组件接收了更多的太阳能。根据以上采样数据，可以计算得出：晴朗天气下，固定安装的光伏组件全天平均接收光强为622.8W/m2，自动跟踪式的全天平均接收光强为873.4W/m2，可增加发电功率40.2%；天气突变情况下，固定安装光伏组件全天平均接收光强为497.3 W/m2，自动跟踪式的全天平均接收光强为715.4W/m2，可增加发电功率43.8%。

4 结论

（1）本太阳能自动跟踪装置采用光电跟踪和时钟式跟踪相结合，克服了天气影响、误差累积等缺点，并能自动检测光强的变化。该太阳能自动跟踪装置的跟踪精度高，可靠性较好。

（2）通过实验数据分析可得，与固定安装相比，自动跟踪装置的太阳能利用率提高了40%左右。该跟踪装置成本较低，效果好，具有较好的推广价值和应用前景。

［1］Gay C F，Yerkes J W，Wilson J H.Performance advantages of two-axis tracking for large flat-plate photovoltaic energy system［C］//Proceedings of 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference.［s.l.］：IEEE，1982：1368-1371.

［2］张朋涛，肖世德，黄灿泉.基于MSP430单片机的步进电机控制系统设计［J］.机电工程技术，2005，34（11）：36-37.

［3］冯小强，宋伟峰，宋婉贞，等.太阳跟踪装置［J］.电子工业设备专用，2010（11）：17-18，40.