“向日葵”式光伏追踪发电装置

郑智 张洋

摘要：进入工业化时代以来，随着科技、经济等各方面的迅猛发展，能源短缺已是全人类需要共同应对的难题。太阳能作为一种资源丰富、可免费使用、无运输成本、对环境友好的可再生能源，为全球创造了环保的生活形态，使社会及人类文明进入一个节约能源减少污染的时代。目前，太阳能采集的最普遍方法是利用太阳能光伏电池，然而现阶段的材料发展情况使太阳能发电还存在成本高、转换效率低的问题。本装置所设计的光伏追踪发电模式可以使光伏发电面板一直追踪太阳，在不改变现有材料的情况下提高光伏发电面板的效率，实现对太阳能的充分利用。

关键词：太阳能;太阳追踪;光伏发电;Arduino

在追踪装置设计过程中，经过全方位的比较，选择使用光敏电阻矩阵作为感光模块、开源编程Arduino控制板作为控制模块 、伺服电机作为驱动模块、单晶硅太阳能板作为发电模块。在设计完成整体传动结构后，根据装置中不同模块的特性进行了细致的走线、拼接、固定，最终测试完成了追踪装置并进行了需求的扩展设计。

装置设计采用围绕Arduino控制器为主控，接收其他电路进行伺服电机的驱动，在整个设计中重点考虑了控制器的性能参数，兼顾了节约成本最终得出了此设计方案。根据控制的需求与实际选用元器件的搭配，绘制出了太阳追踪器的系统总体设计图，如图1所示。

1感光模塊

1.1传感单元设计

整个追踪装置中，传感器单元的设计是最重要的部分。追踪器效果的好坏与否同传感器的选择和集成设计有着直接的联系。本装置准备采用四分法将传感器划分为四个矩阵集中于一个单元之中，以期对光强形成差异比较，进而更精确的追踪最强光源点。

1.2传感器选择

采用半导体材料制作而成的光敏电阻利用内光电效应工作，在一般情况下，光线越强其阻值会越小。由于在地面观测太阳移动其实是一个缓慢的过程，且不是在天气变化较大的日子里，太阳也不会出现光强在短时间内大幅度变化的情况，所以，拟使用四个同型号的普通环氧树脂封装的光敏电阻作为基本感光元件，按照坐标轴四象限进行排列分布。

2控制模块

2.1控制逻辑设计

相对地面来讲，太阳在天空中的移动十分缓慢，所以追踪器不必达到秒级实时追踪，仅需间隔单位时间进行电机的转动，间隔追踪便可实现太阳追踪器的需求。光敏电阻的感光元件在数据处理上不复杂，总体需求比较简单，所以控制器的运算能力无需很强。由于装置是全天候运行，且运行的环境主要在室外，经常会遇到强风、雷雨等恶劣天气，因此控制器的稳定性必须作硬性的高要求，同时功耗方面也应尽量少。

2.2开发程序选择

Arduino IDE（集成开发环境）可跨平台通用，在Windows、MacOS、Linux等主流操作系统中都能使用，而且Arduino在使用上非常简单，即便没有单片机基础技术也能快速上手，这样能够大大节约学习成本、缩短开发周期，根据本装置所需的I/O接口特性和数目等综合考量，最终选择Arduino UNO作为控制板。

3驱动模块

3.1驱动设计

本装置使用的太阳能光伏面板质量较小，且设计结构较为紧凑对电机扭矩要求较低，因此，电机的选择中需要侧重考虑电机控制的方便性。光敏电阻对电机的有效运行进行特别反馈，再根据Arduino对各种特性电机控制的便捷性，舵机是比较适合的一种驱动工具。

3.2舵机选择

由于普通舵机的转动角度只有0°—180°[1]，在俯仰轴方向是符合设计要求的，但水平轴要求在平面内360°转动，如果使用普通舵机则需要进行一定的处理。考虑到本装置中所需的扭矩不大，对齿轮的冲击较小，传动结构要符合本装置中的传动需求所以选择360°类步进电机的舵机是最适合的，而且其能直接使用Arduino中servo函数对其进行控制。

4发电模块

4.1转化效率

目前，对太阳能的利用有光热发电和光伏发电两种主要形式[2]，相比起传统的光热转换，更理想的使用方式是将太阳能转化为电能，但现阶段光热电转化的技术瓶颈尚未解决，光伏发电若能形成规模化降低发电成本，运用前景非常广泛。但就现阶段情况来看，受限于材料技术发展和预算成本的综合考量，各种太阳能发电装置在性价比和效率上都不能达到十分令人满意的状况。目前整体情况来说，单晶硅太阳能发电介质的效率普遍能达到16%～22%，多晶娃为14%～16%，非晶珪为10%左右。

4.2光伏发电面板选择

太阳能光伏发电板的尺寸、重量直接关系着跟踪器的设计结构、电机选择等方面，是追踪装置设计中最基础的一部分，根据现有条件，拟选择一块型号为5W的半柔性单晶硅太阳能光伏发电板作为本装置所选用的发电模块。

5储电监测

由于5W的光伏发电面板进行光电转换所产生的电量非常有限，在本装置中将用一节7号充电电池进行电能的接收。在光强很弱的情况下所转换的电能更是有限，所以本装置外接了一个灵敏电压表进行装置是否正常运行的监测。

6装置模型

以下为整个太阳追踪发电装置的图，如图2。

7需求扩展

随着物联网的高速发展，未来通过集成化网络对机械装置进行控制已是大势所趋[3]，本装置基于此种场景化考量，预留了数据信号上报接口，根据数据采集器（DTU）周期性的上报采集传感器数据信号，将信号通过PC端或移动的程序进行分析运算后展示给用户，用户通过反馈对追踪装置介入精准控制。

参考文献：

[1] 韩英永.基于DSP的步进电机控制系统设计研究[J].通信电源技术，2020，37（1）：59-62.

[2] 王长贵巧发利用新能源与可再生能源的重大意义[J].太阳能，2000（4）：6-7.

[3]谭艳萍，罗永，熊琰.“新工科”背景下的物联网控制课程教学改革研究[J].信息系统工程，2019（12）：166-167.