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
9 F& ~) p0 C. P( e性好等特点．

随着科学技术的飞速发展，人们对能源的需求也在不
  w; `" y, |5 S2 |断增长．太阳能作为一种“清洁能源”，取之不尽，用之不
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
的太阳能．除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄
6 Y" L* o% j2 \, K电池充放电效应外，太阳跟踪是太阳光伏发电系统中另一
4 f, c$ L- p# I1 T种提高转换效率的有效手段．一般来说，为了提高太阳跟
/ `! Z% p# ?8 }  _9 b踪精度，跟踪系统的控制形式主要还是采用光电系统．光
2 @& R* u9 q0 o电系统又有模拟和数字控制之分，模拟系统是利用光电传
7 R- |3 ^0 F% I0 X- B5 y. s! E感器来实现对太阳的跟踪，传感器自动跟踪系统是通过光
敏元件的输出，判断太阳能板轴线是否正对太阳．通过太
阳能板轴线与理想位置的偏差调整驱动装置的运动状态，
3 ~  p4 U3 I) P  r! s# h  e从而调整太阳能板位置使轴线指向太阳．传感器跟踪存在
5 d: B# B2 k! R# @( @* L5 q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．
& \# f$ y0 t* M9 g数字系统，通常指采用程序控制．一般被认为具有较
3 M3 ^4 h7 m6 w# S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
序跟踪方法时，需要定期的人为调整太阳能板的方向，使
8 o* q. l( u# f- c其轴线正对太阳．传感器控制和数字控制相结合，可以取
' c- W- i+ i  P. p8 j得较满意的效果，通过计算太阳运行的轨迹完成太阳跟
  {- H7 H" \2 o0 C$ t; z5 ^  p踪，由传感器来进行误差的校正．但其采用计算机控制，价
, H$ z2 B& d9 T格昂贵．如果适当地对系统的计算对象进行简化，就可以
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
0 G" J7 L) q2 U; K0 i1 `
系统由6个部分组成，分别是时钟、单片机、驱动机构、
编码器、太阳能板和传感器．系统的核心部件是传感器和
单片机．单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳
9 t% g' L3 `5 P" m9 }( A* C3 ?能板的预期位置，与编码器提供的当前位置比较，输出控
6 X# H6 [" x7 T制信号．驱动装置根据单片机提供的信号控制俯仰角电机
7 P5 u! o# y3 g9 H, l. O和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点，进行跟
踪．传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正．
% H  y+ D( _) a1 L太阳跟踪传感器是本系统的关键部件．为了保证太阳
- D* G6 ^* B7 u. q8 g+ i能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不发生偏离．采
2 m& _$ v- f* x9 m9 a用特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感
/ w4 ~  ]- E# `' s& Z3 M* X6 k3 n" i器．如图2所示．
四象限硅光电池呈圆形结构，4块硅光电池组成．令四
1 r# y& t- w6 I% _5 D" |象限硅光电池的分界线与直角坐标轴重合，每个象限即为
8 k+ U9 k6 x- u, K/ ^3 ?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
限硅光电池校正位置量可能出现的误差

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