太阳能自动追光系统的节能技术研究

杨帜 张铭显 孙天宇 赵晴 李金夺 彭晓旭

摘 要：为了更高效的采集并利用太阳能，缓解不可再生能源匮乏的问题，需要设计一种高效的太阳能自动追光装置。本文设计了一种可用于多种供电环境下的太阳能自动追光装置。追光方式采用视日追踪与光电追踪相结合的方式，根据系统时间与光强传感器采集的数据精准判断太阳位置，适用于各种天气情况。在太阳能转动方式上采用了双轴驱动，使用减速电机和推杆电机推动太阳能板在水平和垂直两个方向上转动，提高了采光效率。并且选取了能耗极低的传感器和电机，以降低系统功耗。经实验验证，自动追光方式比固定追光所接收的太阳能提升了近40%。可以将采集的太阳能供给其他用电环境，本装置功耗低效率高，具有节能减排的作用和很高的社会效益。

关键词：低功耗；双轴追光；自动控制；节能减排；可再生能源

中图分类号：TP273 文献标志码：A

0 引言

太阳能是一种可再生的清洁能源，同时我国的太阳能资源十分丰富，因此充分开发和利用太阳能可以很好地解决能源匮乏问题。在太阳能发电的系统中，太阳能板单位面积所接收的光照强度决定了太阳能板所吸收的实际能量。但目前市场上大多数是固定式太阳能板，研究表明，当使用同等面积、相同转换率的太阳能板时，如果太阳能板能始终面向太阳光，太阳能板至少可以提高35%的接收效率，所以如何让太阳能板随太阳光移动是必须要解决的问题。

1 自动追光系统设计原理

整个系统由供电系统、单片机控制系统、感光系统和追光系统四部分组成，系统结构图如图1所示。系统采用了以下两种追光方式相结合进行控制。

1.1 视日追踪方式

要对太阳的运动进行准确描述，就需要用太阳的高度角和方位角进行表示。太阳的高度角和方位角示意图如图2所示。

太陽高度角和方位角可由当前时间和当地的纬度计算得到，计算方式如下：

①高度角的计算：

sinα=sinγsinβ+cosγcosβcosω （1）

式中：γ为太阳赤纬角；φ为当地的地理纬度角；ω为时角：ω=（T-12）×15°。

②方位角的计算：

（2）

依靠得到的方位角跟高度角便可决定太阳能板横向与纵向的调整角度从而实现追光。

1.2 光电追踪方式

采用6个光照强度传感器，均匀分布在太阳能板的四周，每个长边放置两个，每个短边放置1个。用这6个传感器反馈的数据，根据权值分析，计算得到横向差值与纵向差值，然后根据数值，通过PID控制电机驱动输出PWM，分别实现对推杆电机和减速电机反馈控制。

2 系统分析与验证

2.1 理论计算部分

本系统利用的太阳能板，长630mm，宽540mm，面积为0.3402m2。在不考虑当地的特殊天气（如阴天）的影响时，每平方米太阳能板所接受的太阳能辐射量如：

SI=2∫T/2

0 α（Ψ）cosΨ''dt （3）

其中T是该月份的平均日长，α是空气质量下的光照量。

当光线穿过大气时会被部分吸收和散射，与法线夹角越大，经过的大气长度越大，光线被散射和吸收的程度加剧，此时α的值减小。α的取值与角度Ψ（如图3所示）的关系如下：

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

Ψ取决于Ψ'，Ψ'是中午时刻太阳在南北方向移动时与水平面法线形成的夹角。θ是太阳在东西方向移动时与水平面法线形成的夹角，这些角度之间的关系如下：

tan2Ψ=tan2Ψ+tan2θ （5）

其中

（6）

t=0对应日出时刻，t=T/2对应中午时刻。中午太阳角度的平均值Ψ'以及每个月份的日平均长度（从日出到日落）可查找相关资料得出。

φ为太阳能板相对于地面的南北夹角，如图4所示，此时角度关系如下：

tan2Ψ''=tan2（Ψ'-φ）+tan2θ （7）

已知哈尔滨的纬度为45°，假定当前月份为四月，从附录中查表可得： Ψ'=39°，T=12.64h，将这些量代入公式得

SI=6.053kW·h/m2 （8）

即在太阳能板固定不动时，太阳能板当月平均

每天接受的太阳辐射量为

6.053kW·h/m2×0.3402m2≈2.06kW·h （9）

当采用双轴系统追光时，对光照传感器采集到的光照强度进行分析，及时调整太阳能板角度，始终让太阳光直射在太阳能板平面上，在东西方向上，相当于固定型太阳能装置始终保持t=T/2，此时θ=0；在南北方向上，由几何关系知，Ψ'=θ，即

Ψ''=0 （10）

所以cosΨ''=0，将已知量代入得

SI=10.005kW·h/m2 （11）

即采用双轴系统追光时，太阳能板当月平均每天接受的太阳辐射量为

10.005kW·h/m2×0.3402m2≈3.40kW·h （12）

经上述理论计算可见，采用双轴系统追光接受的太阳能辐射量与固定型太阳能板相比提高了将近40%。

2.2 实验验证部分

图5为太阳能自动追光系统的实物图，自动追光系统装置外部尺寸为1500mm×1000mm×1200mm。

实验验证利用电压表、电流表与功率表分别核算固定太阳能板和追光太阳能板的采光效率。

将装置放在无遮挡的户外进行实验。从上午8点开始，固定式太阳能板和跟踪式太阳能板（太阳能板技术参数：额定功率（W）：50、工作电压（V）：18.2、工作电流（A）：2.7）同时发电，用万用表测定太阳能板的电压和电流，每隔30min读取一次数据，连续照光9h，根据测出的功率数据作图表示如图6所示。

结论

本文从系统设计原理、分析与验证和软件流程3个方面介绍了整个太阳能自动追光装置及节能减排验证。从社会效益分析，太阳能追光系统适应了当前大力推广太阳能发电的趋势。经调研，用追光式太阳能板替代现有的固定式太阳能板，将带来巨大的经济效益。

参考文献

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