徐 剑

山东轻工业学院，山东 济南 250353

0 引言

传统的燃料能源正在一天天减少，对环境造成的危害日益突出，丰富的太阳辐射能是重要的能源，是取之不尽、用之不竭的、无污染、廉价、人类能够自由利用的能源，因此太阳能光伏发电以系统是一个重要的发展方向。只有光伏组件能够时刻正对太阳，效率才会达到最佳状态，所以需要太阳能电站自动跟踪式控制系统来完成。

1 太阳能电站自动跟踪式控制系统的组成

1.1 光传感器的设计

利用硅电池片的光电特性，采用硅电池片作为光感元件，研制太阳能光控跟踪器。

1.1.1 光传感器设计结构

光传感包括3个部分，水平传感器、仰俯传感器、光强传感器。其中仰俯传感器、水平传感器结构相同，摆放位置不同；光强传感器与前两个传感器机构相似，图1为仰俯传感器、水平传感器的原理图，图2为光强传感器的原理图。

图1

图2

图1中两个受光面1、2各贴放一个硅电池片，可以接受从空中透过的光。A部分为涂黑遮光处，以避免漫反射光对硅电池片的干扰。在两个A部分中间为透明，面积大小为硅电池片面积的大小，这样可以准确捕捉到光，准确无误不受干扰。在受光面1、2的保留倾角α可以更好的提高捕捉灵敏度。

图2中受光面1贴放一个硅电池片，接受从空中透过的光直接检测光的强度。

1.1.2 工作原理

图3

图3为3个传感器的安装示意图，当光强传感器中硅电池片5输出的电压信号超出设定的光控工作值时，控制器启动光控程序，根据水平传感器与仰俯传感器输出地信号调整电机工作，直至水平传感器与仰俯传感器输出平衡信号，停止电机动作。

当阳光照射到水平传感器中硅电池片1时，硅电池片1与硅电池片2同时输出电压信号，但是硅电池片1的电压远高于硅电池片2的电压。两个电压通过差动放大电路后输出参考电压，控制器便可根据这个参考电压判断阳光入射的方向。将参考电压的平衡值设为2.5V,当阳光照射到硅电池片1时，参考电压输出4.8V,超出平衡值，控制器根据这个条件控制电机向右运行。当阳光照射到硅电池片2时，参考电压输出0.4V，低于平衡值，控制器根据这个条件控制电机向左运行。当硅电池片1与硅电池片2输出电压达到平衡时，即参考电压达到平衡值，控制器停止输出电机运行信号。

同理，当阳光照射到硅电池片3时，参考电压输出4.5V,超出平衡值，控制器根据这个条件控制电机向下运行。当阳光照射到硅电池片4时，参考电压输出0.6V,低于平衡值，控制器根据这个条件控制电机向上运行。当硅电池片3与硅电池片4输出电压达到平衡时，即参考电压达到平衡值，控制器停止输出电机运行信号。

1.2 调理电路的设计

由于光传感器的空间有限，所以选用的硅电池片面积大约在10mm×10mm左右。电池片在AM1.5条件下，大约输出电压400mV，如果采取直接AD采样，线损较大。然而采取先通过差动放大电路，后通过压/频转换，则比较稳妥可靠，受外界的干扰比较小。

1）使用AD620组成差动放大电路，提高放大精度与可靠性。

2）使用LM331组成压/频转换电路，将1V电压输入调整为1KHz频率输出。

通过以上的电路只要控制器捕捉仰俯传感器、水平传感器的输出频率不为2.5KHz，就输出相应方向的命令控制电机动作。而光强传感器通过运放放大信号后设定180mV的电压输出为2.0KHz，只要超出这个值就进入光控状态，否则控制器不输出控制命令，减少自身能耗。

1.3 控制器设计

1）单片机介绍

控制器采用的单片机为Microchip的PIC18F4620，精简指令使其执行效率大为提高，抗干扰性强。

2）单片机系统框图

由图可知，当3个传感器把信号通过调理电路提供给单片机，单片机根据频率判断当前太阳光入射方向，输出相应的电机调整命令，控制驱动电机，达到准确跟踪效果。

3）单片机程序流程图

3 实验结果

该系统通过试验测试，在太阳能发电中，相同条件下（同经纬度、同电池板功率），采用自动跟踪式的发电设备要比固定式的发电设备效率提高情况42%，

4 结论

本文所设计的太阳能电站自动跟踪式控制系统可以精确的对太阳的方位和高度角进行实时自动跟踪，既确保了对跟踪精度的要求，消除因季节变化而产生的积累误差，同时具有结构简单、成本低、适用性强等特点。即使是在天气变化比较复杂的情况下,系统也能正常工作, 提高太阳能的利用效率。也可从电池板直接获取电能, 而无需另外输入能量, 本系统也可用于其它太阳能利用装置。

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