用四象限硅光电池和单片机实现太阳跟踪

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. O8 _; n& M% l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
! U( P$ A& c' l- i% j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
$ c( q3 P, E# k  D4 D; B: V: ]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
断增长．太阳能作为一种“清洁能源”，取之不尽，用之不
$ q5 g' N" d. C& Y& 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
" M5 M" T1 D! J$ t太阳光线始终趋于垂直，以在有限的使用面积内收集更多
2 Z# ~! g2 `" y3 {3 L的太阳能．除了提高太阳光电池本身的转换效应和提高蓄
; [; w& ]0 R/ C) p2 l: Q7 @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
8 w; N/ a- b) Y# p踪精度，跟踪系统的控制形式主要还是采用光电系统．光
: h/ i* j- B- w: e8 b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
敏元件的输出，判断太阳能板轴线是否正对太阳．通过太
; t+ C  P" N% U4 }- r% {阳能板轴线与理想位置的偏差调整驱动装置的运动状态，
: f9 b) E  e; ?; h/ s9 r. U5 q' }0 ?# H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
* ]) @+ }. r, J: n1 b2 j  F) O点．特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往
& G: [  B7 E' q1 v7 d复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损．
) _$ e; a$ N/ \% F数字系统，通常指采用程序控制．一般被认为具有较
3 ^+ Z: _  M# U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
  q- w/ c* J0 B$ T0 ]. R3 Z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
其轴线正对太阳．传感器控制和数字控制相结合，可以取
得较满意的效果，通过计算太阳运行的轨迹完成太阳跟
9 o9 }+ t0 z0 ]; ~) B% _. ^/ z踪，由传感器来进行误差的校正．但其采用计算机控制，价
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
2 N# l% _' d3 M8 j7 U/ C7 w
系统由6个部分组成，分别是时钟、单片机、驱动机构、
5 V  C% C  u2 g  C# 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
  o$ u# S4 v: M4 m" M( K单片机．单片机利用时钟提供的日期和时间，计算出太阳
. i0 t! E( k( e2 b- K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
9 j2 J) f! q' |' d6 d和方位角电机使太阳能板运行至太阳垂直照射点，进行跟
$ Q2 b9 [% [, P* L踪．传感器在太阳能板位置出现误差时进行校正．
+ d3 x$ r9 ^+ o# f, a太阳跟踪传感器是本系统的关键部件．为了保证太阳
能板的受光面始终与太阳光线保持垂直而不发生偏离．采
* k1 M% t2 [# O7 S( z用特制的四象限硅光电池作为太阳跟踪误差校正用传感
4 _' v% Y( _) l" Y& k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
象限硅光电池的分界线与直角坐标轴重合，每个象限即为
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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