用四象限硅光电池和单片机实现太阳跟踪

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摘要：描述了一种跟踪控制的实现方法．核心部件单片机通过预先计算的太阳位置进行跟踪，并通过四象限硅光
电池校正位置量可能出现的误差．该系统与模拟系统相比仅增加了少量的低成本集成电路，具有精确度高、适应
/ r. @6 P6 ]. t9 c( s' c性好等特点．

" `% s  V$ [4 D/ o4 P% y  u3 q$ k随着科学技术的飞速发展，人们对能源的需求也在不
断增长．太阳能作为一种“清洁能源”，取之不尽，用之不
1 P& H" A8 S! [竭，是具有开发潜能的能源．在太阳能发电或其他方式利
用太阳能的太阳跟踪，指的是在太阳照射过程中受光面跟
太阳光线始终趋于垂直，以在有限的使用面积内收集更多
8 h8 N, M  x7 b5 V的太阳能．除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄
电池充放电效应外，太阳跟踪是太阳光伏发电系统中另一
种提高转换效率的有效手段．一般来说，为了提高太阳跟
踪精度，跟踪系统的控制形式主要还是采用光电系统．光
; S$ c  A1 }* w4 ^2 u; m电系统又有模拟和数字控制之分，模拟系统是利用光电传
感器来实现对太阳的跟踪，传感器自动跟踪系统是通过光
& ]$ Y: O0 f# O- |# X敏元件的输出，判断太阳能板轴线是否正对太阳．通过太
: ?& {* E$ G7 S, ]! e阳能板轴线与理想位置的偏差调整驱动装置的运动状态，
" G( @3 Y! [$ Z从而调整太阳能板位置使轴线指向太阳．传感器跟踪存在
响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺
点．特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往
复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损．
3 s" v$ ~9 U. _8 V& d% J数字系统，通常指采用程序控制．一般被认为具有较
# l& w4 q" B5 T9 k+ W/ e. K高的精度和较好的适应性．它是通过数学上对太阳轨迹的
预测完成对太阳的跟踪．理论上可以精确地跟踪太阳运行
轨迹．但程序跟踪存在许多局限性，主要是在开始运行前
需要精确定位，出现误差后不能自动调整等．因此使用程
# y. E2 U& N; ?6 R! ~序跟踪方法时，需要定期的人为调整太阳能板的方向，使
其轴线正对太阳．传感器控制和数字控制相结合，可以取
; t' Q+ ]3 y! e5 A8 t( @/ Q) m得较满意的效果，通过计算太阳运行的轨迹完成太阳跟
; g: u5 R$ s& H6 u踪，由传感器来进行误差的校正．但其采用计算机控制，价
1 D$ v, [/ J0 m- J格昂贵．如果适当地对系统的计算对象进行简化，就可以
: E3 F7 Q* a/ X用成本较低的单片机代替昂贵的可编程控制器或者微型
机实现数字化的跟踪控制系统．从而大大降低系统的成
+ y. J, T2 ^% u& B3 b
& F! s# Q& b0 O1 X系统由6个部分组成，分别是时钟、单片机、驱动机构、
+ ?5 h% @( Y5 A- i编码器、太阳能板和传感器．系统的核心部件是传感器和
- @  b6 ]! W" W5 x$ X7 J单片机．单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳
能板的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出控
制信号．驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机
和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点，进行跟
- Q: c' O) ]0 b8 \7 U2 i; _3 [踪．传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正．
8 q5 H+ `; m. y! ?太阳跟踪传感器是本系统的关键部件．为了保证太阳
( X( J0 n0 {, ?' c能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不发生偏离．采
4 M; [# Q, Y) p. f$ l; b用特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感
* S& v5 ~3 O" M% t) `. f; w: K器．如图2所示．
' z9 }, g3 G# p+ z# n1 }. N四象限硅光电池呈圆形结构，4块硅光电池组成．令四
象限硅光电池的分界线与直角坐标轴重合，每个象限即为
9 t" j  ~2 u. q2 v9 p0 n一块光电池．假设目标经光学系统在四象限硅光电池上成
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核心部件单片机通过预先计算的太阳位置进行跟踪，并通过四象
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