太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計

PAGEPAGE14浙江省大學生物理創(chuàng)新競賽“科技創(chuàng)新競賽”參賽作品（論文）太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計浙江工商大學電子電子電子太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計摘要：本文設計了太陽能全自動跟蹤器，首先對達到自動跟蹤太陽效果的工作原理進行整體結(jié)構(gòu)分析，敘述了系統(tǒng)整體的設計思路。隨后分別討論了比較放大部分、H橋驅(qū)動部分、行程自動開關部分的設計。最后分析了作品的應用前景，并提出作品不夠理想之處及其相應的改進方向。關鍵詞：自動跟蹤、H橋式驅(qū)動、太陽能TheDesignofAutomaticTrackingSystemforSolarPowerYing-kaiTang,Yin-yinLv,YingMa(CollegeofInformationandElectronicEngineering,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou,310018)Abstract:Inthispaper,wedesignedthefull-automatictofollowthesolarenergy.Firstly,weanalyzedtheoverallstructuraloftheworkingprinciplethatautomaticallytrackthesun,anddescribedtheoverallsystemdesignideas.Subsequently,discussedandcomparedtoenlargepart,Hbridgedriverpartandtheautomaticallyswitchpart.Finallyweanalyzedtheprospectsofapplication,andpresenttheplacethatisnotidealtoworkandthecorrespondingimprovementdirections.Keywords:Followautomation;H-bridgedriver;Solarenergy1.物理背景進入21世紀以來，人類對能源的需求快速增長，地球上的不可再生能源已開始耗竭，而大量使用化石能源引起的環(huán)境污染日益明顯與嚴重，溫室效應帶來的全球變暖開始危及人類的生存。為了緩解這一問題，低碳經(jīng)濟將成為社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要方向，受到了國際社會的共識。在能源領域，清潔能源、可再生能源、光伏發(fā)電技術、太陽能集熱發(fā)電技術等受到越來越多的關注[1]。其中，太陽能集熱發(fā)電技術因發(fā)電運行成本低，并可以與化石燃料形成混合發(fā)電系統(tǒng)，在可再生能源發(fā)電技術中有較強的競爭力。我國西部荒漠總面積約160萬平方公里，約為全國總面積的六分之一[2]，它們是我國太陽能資源量豐富地區(qū)，太陽能年總輻射量約為1000EJ，相當于3300億噸標煤[2]，為能源植物的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了有利的基礎。這樣，只要能開發(fā)利用1%～2%的荒漠地區(qū)，就能滿足我國2050年大規(guī)模非水能可再生能源發(fā)展的需求。然而，在地面上利用太陽能，受到很大的限制，要提高太陽能轉(zhuǎn)化效率可以從兩方面入手，一是仿造植物的葉綠素分子轉(zhuǎn)化和吸收太陽能的方法，改變太陽能板的材料，如制造量子點、量子阱電池等，這個想法在量子物理學研究界受到了廣泛的關注[5]；另一方面，由于太陽能光伏板正對太陽光時，轉(zhuǎn)化得到的電能明顯多于斜對太陽光時轉(zhuǎn)化得到的電能，所以可以通過制造自動控制系統(tǒng)，使太陽能光伏板跟隨太陽的轉(zhuǎn)動，讓太陽光始終垂直照射太陽能光伏板，從而提高太陽能的利用率。目前我國常規(guī)的太陽能利用只是把太陽能板固定朝向一個方向來提供電，如太陽能熱水器、太陽能交通燈等。當太陽光照射太陽能光伏板時，在光線偏離垂直方向±15°以內(nèi)，太陽能光伏板利用太陽能的效率比較高，因此跟隨太陽轉(zhuǎn)動的太陽能板供電裝置比固定式太陽能供電裝置光能利用率高，大約每天高5倍?？梢?，固定朝向的太陽能板供電裝置受光照方向轉(zhuǎn)變的影響較大，轉(zhuǎn)化效率和轉(zhuǎn)化功率受到很大限制。針對這個現(xiàn)實，本文設計了太陽能光伏板自動跟蹤太陽光轉(zhuǎn)動的系統(tǒng)，并完成了作品的制作。此作品采用2W太陽能光伏板將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為直流電，然后經(jīng)蓄電池緩沖儲能。為使太陽能利用效率始終保持最高，在太陽能板同一平面上安裝光電池，利用光電池來檢測該平面的法線與太陽垂直入射角偏離的情況，及時調(diào)整保證太陽光直射光伏板，類似電子向日葵。2.工作原理本系統(tǒng)由一個繞固定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的小車和一俯仰角可變的平臺組成，太陽能光伏板放于平臺上，接收太陽能并轉(zhuǎn)化成電能存儲到蓄電池中。小車上的滾輪和渦桿可改變太陽能光伏板水平和豎直方向的朝向。2.1轉(zhuǎn)動原理根據(jù)歐幾里得平面幾何知識推理發(fā)現(xiàn)，在三維空間中，假設有一條確定的直線和一個確定的平面，如果對平面進行一定的旋轉(zhuǎn)，使得直線和平面垂直，那么平面的旋轉(zhuǎn)可以分解為水平方向的旋轉(zhuǎn)和垂直方向的旋轉(zhuǎn)的疊加，證明方法是作平面的垂線，旋轉(zhuǎn)垂線使得該垂線和原先確定的直線平行。假設有確定的直線，其方程為，平面的方程為，設平面為水平面，則與平面垂直的平面都是豎直面，如圖一所示。圖一三維坐標中的線面圖直線的方向向量為：（1）該直線與水平面的夾角：（2）平面法向量：（3）該向量與水平面的夾角：（4）過已知直線做豎直面：（5）過做豎直面：（6）將平面在平面上沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)度，然后在豎直平面上沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)度，就可以使和直線平行，即平面和直線垂直，其中是豎直面和豎直面的夾角，是和的夾角，即：（7）（8）根據(jù)以上推理，當太陽光線確定時，適當調(diào)整太陽能光伏板的水平方向朝向和豎直方向朝向，一定能把太陽能光伏板調(diào)整到一個與太陽光線垂直的方向。太陽能自動跟蹤小車的兩個電機分別驅(qū)動控制水平方向轉(zhuǎn)動的輪子和控制豎直方向轉(zhuǎn)動的渦桿，水平方向轉(zhuǎn)動的示意圖如圖二所示：zyzy圖二太陽能蓄電自動跟蹤器水平旋轉(zhuǎn)示意圖太陽能自動跟蹤器小車由一個固定的支撐點（點P）和一個輪子支撐起來。滾輪轉(zhuǎn)動（電機M2驅(qū)動）時，以點P為圓心，帶動整個裝置繞P點轉(zhuǎn)動。從圖二可知，此時滾輪在水平面xy上經(jīng)過的軌跡是一個以支撐點P為圓心的圓。豎直方向轉(zhuǎn)動示意圖如圖三所示：圖三太陽能蓄電自動跟蹤器豎直方向旋轉(zhuǎn)示意圖太陽能光伏板固定在A板上，電機M1驅(qū)動渦桿轉(zhuǎn)動，渦桿的位置固定，只允許繞z軸轉(zhuǎn)動，在xy平面內(nèi)不發(fā)生位置移動。渦桿上套有一個升降平臺（升降平臺連接太陽能光伏板A板的一端，并與之固定），升降平臺因與A板一端相連而不能進行水平方向上的旋轉(zhuǎn)。因此，電機驅(qū)動渦桿轉(zhuǎn)動時，升降平臺只能進行上下移動，即升降平臺上任意一點只有z的坐標值會變化。升降平臺帶動A板一端在豎直方向上下移動，而A板另一端架在高度不變的平行板B的平面上，可以在B平面上滑動，使得A板與B板的夾角Q發(fā)生變化（圖三所示），從而實現(xiàn)太陽能光伏板平面（A板）在豎直方向上角度的變化。作品實物圖如下圖：圖四太陽能蓄電自動跟蹤器實物圖經(jīng)測量，此作品的太陽能光伏板在水平方向上角度變化范圍是0°～360°，豎直方向上角度變化范圍是32.26°～86.31°，其平面包含的朝向范圍廣泛，在地面上，無論太陽光的入射方向如何，與之垂直的面基本都在此作品光伏板所能變化得到的面的范圍內(nèi)。2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及自動跟蹤原理采用電機驅(qū)動太陽能光伏板的方位移動分為水平面方位控制和豎直面方位控制。根據(jù)光線方向?qū)崿F(xiàn)自動轉(zhuǎn)移跟蹤的思路是在太陽能板的上方平面放置四片小型光電池，由于光電池接收到的光能隨太陽照射角度改變而改變，所以當太陽光照射角度隨時間轉(zhuǎn)動時，此光電池采集及送出的電壓大小會變化。電路采樣此四片小型光電池輸出的電壓，以確定太陽的移動方向，當太陽的移動角度大于一定值時，控制電機M1轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)光伏板豎直方向的角度改變，控制電機M2轉(zhuǎn)動以實現(xiàn)光伏板水平方向的角度轉(zhuǎn)變。電機以順時針轉(zhuǎn)或逆時針轉(zhuǎn)來控制光伏板朝向的各角度變化。水平方向自動跟蹤和豎直方向自動跟蹤原理相同，以水平方向為例，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖五所示：圖五太陽能蓄電系統(tǒng)水平跟蹤模塊結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)水平方向基本工作原理：該系統(tǒng)由左右光電池、比較放大器和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)三部分組成，左右光電池安裝在太陽能光伏板同一平面上，與其同步運行，四片光電池做在一個開口的小盒內(nèi)，小盒的四個盒壁是由遮光片做成。光源方向一旦發(fā)生改變，則左右光電池輸出電壓產(chǎn)生差，經(jīng)過LM324芯片內(nèi)電路比較放大以后輸出相應信號：當右邊光強大于左邊時，由于右邊遮光片擋住了右邊的光電池，導致左光電池接受的光大于右光電池，即時，驅(qū)動電路1導通，電動機正轉(zhuǎn)，帶動系統(tǒng)向右轉(zhuǎn)；當左邊光強大于右邊時，右光電池接收到更強的光，，驅(qū)動電路2導通，電動機反轉(zhuǎn)，帶動系統(tǒng)向右轉(zhuǎn)。當左右光電池無電壓差即光源在水平方向已垂直入射光伏板時，驅(qū)動電路1和驅(qū)動電路2都不導通，電動機停止轉(zhuǎn)動，此時水平方向達到最佳入射角。豎直方向原理與水平方向原理完全相同。上下光電池接受光源產(chǎn)生電壓差，經(jīng)比較放大后分別驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)光伏板豎直方向的傾斜角度，當豎直方向達到最佳入射角時，電動機停止轉(zhuǎn)動。3．技術分析水平方位自動轉(zhuǎn)動跟蹤電路原理圖如下（豎直方位原理圖完全相同）：圖六水平方位自動轉(zhuǎn)動跟蹤電路原理圖*前半部分時放大電路，用以放大兩片光電池的出入電壓差。當IN1輸出電壓大于IN2時，經(jīng)過運算放大器和比較器后，輸出A為高電平，B為低電平，高電平A使三極管Q1、Q4、Q6、Q7導通，電流從左到右流過電動機，即驅(qū)動電路1導通（電動機向右轉(zhuǎn)動，圖中用實線表示）當IN2輸出電壓大于IN1時，經(jīng)過運算放大器和比較器后輸出，高電平B使三極管Q2、Q3、Q5、Q8導通，電流從右到左流過電動機，即驅(qū)動電路2導通（電動機向左轉(zhuǎn)動，圖中用虛線表示）。為電路調(diào)整的方便，在圖六中設置S1、S2手動控制電路，即電源通過兩個開關到兩個二極管再到A、B通道，如圖七所示。BB圖七手動開關*IN1為左邊光電池輸出，IN2為右邊光電池輸出電路調(diào)試時，閉合開關S1使A點為高電位，等效于光電池陣列的左電壓大于右電壓。豎直方向同理。3.1直流電機驅(qū)動電路直流電機驅(qū)動電路采用H橋式，其電原理圖如圖八所示。圖八H橋驅(qū)動原理圖H橋式電機驅(qū)動電路很方便實現(xiàn)直流電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。其中S3、S5為一組控制開關，S4、S6為另一組控制開關，兩組的狀態(tài)互補，一組導通則另一組必須關閉。當S3、S5閉合，S4、S6斷開時，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)；當S4、S6閉合，S3、S5斷開時，電機兩端加反向電壓，電機反轉(zhuǎn)；在采集光能過程中，我們要不斷地使電機在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換以跟蹤太陽的角度以獲得最大功率，即在S3、S5閉合且S4、S6斷開，到S3、S5斷開且S4、S6閉合兩種狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換。圖八H橋驅(qū)動電路圖中，四個二極管具有續(xù)流作用。當開關S3和S5閉合，S4和S6斷開時，電動機正轉(zhuǎn)（反轉(zhuǎn)時原理相同），轉(zhuǎn)到合適角度的時候，開關S3和S5同時斷開，由于電動機內(nèi)部有電感效應元件，電流不能突變，電流就可以通過二極管釋放。從圖六右半部分可以看到，該橋式電機驅(qū)動電路用晶體三級管代替普通開關，從而起到自動控制作用。3.2：行程自動控制開關在豎直方位控制的渦桿上，當升降平臺到達渦桿的頂端（或底端）時，如果升降平臺仍要繼續(xù)往上（或往下）移動，由于已經(jīng)是最頂端（或底端），這個時候很容易卡死。為了解決這個問題，我們在上下設置了開關，開關由彈性銅片和銅桿搭建而成，一般狀態(tài)下，銅片和銅桿接觸，即開關閉合，電路導通。當升降平臺往上運動使得支撐太陽能光伏板的A板與水平面角度加大，A板到達一定高度時，碰到彈性銅片，繼續(xù)往上運動會把銅片往上頂，使得銅片和銅桿之間不接觸，即開關斷開，電機中沒有電流流過，A板停止向上運動，升降平臺就不至于到達最頂端。向下運動時方法相同。當電路斷開時，雖然阻止了升降平臺繼續(xù)往上運動，但也阻止了升降平臺往下運動，因此我們設計下述開關：圖九豎直方向行程自動控制開關將圖九的開關電路與電動機串聯(lián)后接入電路，S7路控制光伏板的向上移動，S8路控制光伏板的向下移動。當光伏板處于傾斜狀態(tài)時，開關S7和S8都閉合（此時銅片1和銅片2分別與銅桿的一端點相接觸），當光伏板處于接近水平狀態(tài)，即豎直旋轉(zhuǎn)桿的旋點到達最低端時，光伏板向下移動過程中自動使開關S8斷開（銅片2與銅桿的末端脫離接觸），S7仍閉合，保證電動機能接收反向電流，即光伏板能向上運動。當光伏板處于接近垂直狀態(tài)，即豎直旋轉(zhuǎn)桿的旋點到達頂端時，光伏板向上移動過程中自動使開關S7斷開（銅片1與銅桿的頂端脫離接觸），S8仍閉合，保證電動機能接收反向電流，即光伏板能向下運動。當電流從C端流向D端時，S7路接通，光伏板向上移動，到達最小仰角時停止。當電流從D端流向C端時，S8路接通，光伏板向下移動，到達最大仰角時停止。4.應用前景本作品屬于太陽能設備范圍，特別涉及一種用于太陽能電池板的太陽追蹤裝置。在太陽能光伏板的背面中心設置有太陽能光伏板支撐架，與上豎轉(zhuǎn)軸相連接；通過兩個電動機實現(xiàn)上述裝置的上下運動和水平周轉(zhuǎn)運動；太陽能光伏板上設置有感光裝置，通過控制電路來控制電動機工作以實現(xiàn)對太陽的跟蹤。實現(xiàn)了對太陽的全方位追蹤，能夠自動使太陽能光伏板與太陽光線保持垂直的跟蹤系統(tǒng),實現(xiàn)最大效率地利用太陽能。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊、轉(zhuǎn)動靈活、價格低廉、防塵性好、性能可靠、跟蹤精度高。這作品在太陽能熱水器、小型太陽能發(fā)電設備開發(fā)中會得到很好的應用。小型太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)對于我們這個能源消耗大國來說，有著很強的現(xiàn)實意義，而在美國、德國等國家都已經(jīng)實現(xiàn)大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電[6]，將自動跟蹤系統(tǒng)運用到太陽能并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，將會大大提高太陽能利用率。圖十太陽能交通燈目前太陽能光伏發(fā)電普遍采用的固定方式是低效發(fā)電方式，如上圖所示，太陽能板固定，無法正對太陽光的照射。采用太陽能跟蹤系統(tǒng)在理論上可提高發(fā)電量40%[4]，從而降低投資20%以上?，F(xiàn)世界上所用的太陽能跟蹤系統(tǒng)都需要根據(jù)安放點的經(jīng)緯度等信息計算一年中的每一天的不同時刻太陽所在的角度，將一年中每個時刻的太陽位置存儲到PLC、單片機或電腦軟件中，也就是靠計算太陽位置以實現(xiàn)跟蹤。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)和設定，一旦安裝，就不便移動或裝拆，每次移動完就必須重新設定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個參數(shù)；原理、電路、技術、設備都很復雜，非專業(yè)人士不能夠隨便操作。而該太陽能跟蹤系統(tǒng)是一種成本低廉、簡單易用、不用計算各地太陽位置數(shù)據(jù)、不用電腦軟件的太陽空間定位跟蹤儀、能夠不受地域和外部條件的限制、可在移動設備上隨時隨地準確跟蹤太陽的智能跟蹤系統(tǒng)，它最大限度的提高了太陽光能的利用率，可以廣泛運用于各種領域，如把加裝了智能太陽跟蹤儀的太陽能發(fā)電系統(tǒng)安裝在高速行駛的汽車、火車，以及通訊應急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船上，不論系統(tǒng)向何方行駛、如何調(diào)頭、拐彎，該太陽能跟蹤系統(tǒng)都能保證設備的要求跟蹤部位正對太陽。該自動跟蹤系統(tǒng)實現(xiàn)了用最少的元件、最簡單的電路完成最復雜工作的現(xiàn)實，掀開了太陽能發(fā)電這一高端應用設備快速實現(xiàn)實用、可靠、低成本、民用化應用發(fā)展新篇章。該系統(tǒng)能夠真正的讓太陽能的高端使用低價位進入尋常百性家庭中，讓中國的太陽能應用，新能源發(fā)展都有了更加強勁的動力。5.技術改進1．系統(tǒng)附加的行程控制開關做的太復雜，如果能充分利用單片機技術，用單片機來控制頂端和低端的通斷，可以大大減小工藝復雜度，和提高精確度，且使其更美觀。2．此作品在水平方向控制時只用了一個電動機，雖減少了工藝成本與復雜度，但也給保持系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定增加了難度。在大幅度旋轉(zhuǎn)時會有不平穩(wěn)的現(xiàn)象。在實際應用場合，應合理調(diào)整電機和載體板大小，增加平衡度，使工作穩(wěn)定。3.經(jīng)調(diào)試測量，此作品只能判斷與光伏板夾角180度以內(nèi)的照射光方向。用單片機實現(xiàn)先讓裝置旋轉(zhuǎn)360度，判斷光線大致方向，再進行精確定向。結(jié)束語該系統(tǒng)實現(xiàn)了光伏板的自動追日目的，當光源的方向改變時，系統(tǒng)能自動調(diào)節(jié)光伏板的方向，讓光線隨時垂直照射光伏板，從而最大效率的進行光電轉(zhuǎn)換。參考文獻[1]歐陽平凱.低碳經(jīng)濟.工業(yè)生物技術的作用.科學時報.2009.6.15B2專題[2]