太阳能自动跟踪系统

浙江省大学生物理创新竞赛“科技创新竞赛，，参赛作品（论文）太阳能自动跟踪系统的设计浙江工商大学电子0801汤颖锴电子0801吕银音电子0801马英太阳能自动跟踪系统的设计汤颖锴吕银音马英(浙江工商大学信息与电子工程学院杭州310018)摘要：本文设计了太阳能全自动跟踪器，首先对达到自动跟踪太阳效果的工作原理进行整体结构分析，叙述了系统整体的设计思路。随后分别讨论了比较放大部分、H桥驱动部分、行程自动开关部分的设计。最后分析了作品的应用前景，并提出作品不够理想之处及其相应的改进方向。关键词：自动跟踪、H桥式驱动、太阳能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;Solarenergy物理背景进入21世纪以来，人类对能源的需求快速增长，地球上的不可再生能源已开始耗竭，而大量使用化石能源引起的环境污染日益明显与严重，温室效应带来的全球变暖开始危及人类的生存。为了缓解这一问题，低碳经济将成为社会经济发展的一个重要方向，受到了国际社会的共识。在能源领域，清洁能源、可再生能源、光伏发电技术、太阳能集热发电技术等受到越来越多的关注［1］。其中，太阳能集热发电技术因发电运行成本低，并可以与化石燃料形成混合发电系统，在可再生能源发电技术中有较强的竞争力。我国西部荒漠总面积约160万平方公里，约为全国总面积的六分之一⑵，它们是我国太阳能资源量丰富地区，太阳能年总辐射量约为1000EJ，相当于3300亿吨标煤⑵，为能源植物的大规模产业发展提供了有利的基础。这样，只要能开发利用1%〜2%的荒漠地区，就能满足我国2050年大规模非水能可再生能源发展的需求。然而，在地面上利用太阳能，受到很大的限制，要提高太阳能转化效率可以从两方面入手，一是仿造植物的叶绿素分子转化和吸收太阳能的方法，改变太阳能板的材料，如制造量子点、量子阱电池等，这个想法在量子物理学研究界受到了广泛的关注［5］;另一方面，由于太阳能光伏板正对太阳光时，转化得到的电能明显多于斜对太阳光时转化得到的电能，所以可以通过制造自动控制系统，使太阳能光伏板跟随太阳的转动，让太阳光始终垂直照射太阳能光伏板，从而提高太阳能的利用率。目前我国常规的太阳能利用只是把太阳能板固定朝向一个方向来提供电，如太阳能热水器、太阳能交通灯等。当太阳光照射太阳能光伏板时，在光线偏离垂直方向土15。以内，太阳能光伏板利用太阳能的效率比较高，因此跟随太阳转动的太阳能板供电装置比固定式太阳能供电装置光能利用率高，大约每天高5倍。可见，固定朝向的太阳能板供电装置受光照方向转变的影响较大，转化效率和转化功率受到很大限制。针对这个现实，本文设计了太阳能光伏板自动跟踪太阳光转动的系统，并完成了作品的制作。此作品采用2W太阳能光伏板将太阳光能直接转化为直流

电，然后经蓄电池缓冲储能。为使太阳能利用效率始终保持最高，在太阳能板同一平面上安装光电池，利用光电池来检测该平面的法线与太阳垂直入射角偏离的情况，及时调整保证太阳光直射光伏板，类似电子向日葵。2・工作原理本系统由一个绕固定转轴旋转的小车和一俯仰角可变的平台组成，太阳能光伏板放于平台上，接收太阳能并转化成电能存储到蓄电池中。小车上的滚轮和涡杆可改变太阳能光伏板水平和竖直方向的朝向。2.1转动原理根据欧几里得平面几何知识推理发现，在三维空间中，假设有一条确定的直线和一个确定的平面，如果对平面进行一定的旋转，使得直线和平面垂直，那么平面的旋转可以分解为水平方向的旋转和垂直方向的旋转的叠加，证明方法是作平面的垂线，旋转垂线使得该垂线和原先确定的直线平行。假设有确定的直线i，其方程为二^=兰二=二^，平面兀的方程为abcAx+By+Cz+D=0，设平面xy为水平面，则与平面xy假设有确定的直线i，图一三维坐标中的线面图图一三维坐标中的线面图直线的方向向量为:（1）该直线与水平面的夹角:(2)0_=arctan(2)平面法向量:(3平面法向量:(3)该向量与水平面的夹角:021=arctan(C^=)(4)过已知直线做竖直面兀021=arctan(C^=)(4)过已知直线做竖直面兀一―(x—x)+(y—y)=0

a00(5)过n做竖直面兀(6)将平面Ax+By+Cz+D=0在xy平面上沿逆时针方向旋转0】度然后在竖直平面上沿逆时针方向旋转0度，就可以使n和直线=2行，即平面和直线垂直，其中0是竖直面兀和竖直面兀的夹角，0是0和02111的夹角，即:0=arctan(bB—)-0=arctan(bB—)-arctan(—)(7)0=arctan(C)一arctan(c^=)(8)根据以上推理，当太阳光线确定时，适当调整太阳能光伏板的水平方向朝向和竖直方向朝向，一定能把太阳能光伏板调整到一个与太阳光线垂直的方向。太阳能自动跟踪小车的两个电机分别驱动控制水平方向转动的轮子和控制竖直方向转动的涡杆，水平方向转动的示意图如图二所示：

图二太阳能蓄电自动跟踪器水平旋转示意图太阳能自动跟踪器小车由一个固定的支撑点（点P）和一个轮子支撑起来。滚轮转动（电机M2驱动）时，以点P为圆心，带动整个装置绕P点转动。从图二可知，此时滚轮在水平面上经过的轨迹是一个以支撑点P为圆心的圆。竖直方向转动示意图如图三所示：图三太阳能蓄电自动跟踪器竖直方向旋转示意图太阳能光伏板固定在A板上，电机M1驱动涡杆转动，涡杆的位置固定，只允许绕z轴转动，在平面内不发生位置移动。涡杆上套有一个升降平台（升降平台连接太阳能光伏板A板的一端，并与之固定），升降平台因与A板一端相连而不能进行水平方向上的旋转。因此，电机驱动涡杆转动时，升降平台只能进行上下移动，即升降平台上任意一点只有z的坐标值会变化。升降平台带动A板一端在竖直方向上下移动，而A板另一端架在高度不变的平行板B的平面上，可以在B平面上滑动，使得A板与B板的夹角Q发生

变化（图三所示），从而实现太阳能光伏板平面CA板）在竖直方向上角度的变化。作品实物图如下图:图四太阳能蓄电自动跟踪器实物图经测量，此作品的太阳能光伏板在水平方向上角度变化范围是0°〜360°,竖直方向上角度变化范围是32.26°〜86.31°，其平面包含的朝向范围广泛，在地面上，无论太阳光的入射方向如何，与之垂直的面基本都在此作品光伏板所能变化得到的面的范围内。2.2系统结构及自动跟踪原理采用电机驱动太阳能光伏板的方位移动分为水平面方位控制和竖直面方位控制。根据光线方向实现自动转移跟踪的思路是在太阳能板的上方平面放置四片小型光电池，由于光电池接收到的光能随太阳照射角度改变而改变，所以当太阳光照射角度随时间转动时，此光电池采集及送出的电压大小会变化。电路采样此四片小型光电池输出的电压，以确定太阳的移动方向，当太阳的移动角度大于一定值时，控制电机M1转动以实现光伏板竖直方向的角度改变，控制电机M2转动以实现光伏板水平方向的角度转变。电机以顺时针转或逆时针转来控制光伏板朝向的各角度变化。水平方向自动跟踪和竖直方向自动跟踪原理相同，以水平方向为例，系统总体结构如图五所示:图五太阳能蓄电系统水平跟踪模块结构图系统水平方向基本工作原理：该系统由左右光电池、比较放大器和驱动执行机构三部分组成，左右光电池安装在太阳能光伏板同一平面上，与其同步运行，四片光电池做在一个开口的小盒内，小盒的四个盒壁是由遮光片做成。光源方向一旦发生改变，则左右光电池输出电压产生差(V—V)，经过LM324芯片内电路比较放大以后输出相应信号：当右边光强大于左边时，由于右边遮光片挡住了右边的光电池，导致左光电池接受的光大于右光电池，即V1〉V2时，驱动电路1导通，电动机正转，带动系统向右转；当左边光强大于右边时，右光电池接收到更强的光，匕＜V2，驱动电路2导通，电动机反转，带动系统向右转。当左右光电池无电压差即光源在水平方向已垂直入射光伏板时，驱动电路1和驱动电路2都不导通，电动机停止转动，此时水平方向达到最佳入射角。竖直方向原理与水平方向原理完全相同。上下光电池接受光源产生电压差，经比较放大后分别驱动电机正转和反转，从而调节光伏板竖直方向的倾斜角度，当竖直方向达到最佳入射角时，电动机停止转动。

技术分析水平方位自动转动跟踪电路原理图如下（竖直方位原理图完全相同）:IN1IN2AIN1IN2A前半部分时放大电路，用以放大两片光电池的出入电压差。当W1输出电压大于IN2时，经过运算放大器和比较器后，输出A为高电平，B为低电平，高电平A使三极管Q1、Q4、Q6、Q7导通，电流从左到右流过电动机，即驱动电路1导通（电动机向右转动，图中用实线表示）当IN2输出电压大于IN1时，经过运算放大器和比较器后输出，高电平B使三极管Q2、Q3、Q5、Q8导通，电流从右到左流过电动机，即驱动电路2导通（电动机向左转动，图中用虚线表示）。为电路调整的方便，在图六中设置S1、S2手动控制电路，即电源通过两个开关到两个二极管再到A、B通道，如图七所示。IN4007I—一VCCI———IN1为左边光电池输出，IN2为右边光电池输出IN4007IN1为左边光电池输出，IN2为右边光电池输出图七手动开关电路调试时，闭合开关S1使A点为高电位，等效于光电池阵列的左电压大于右电压。竖直方向同理。3.1直流电机驱动电路直流电机驱动电路采用H桥式，其电原理图如图八所示。图八H桥驱动原理图H桥式电机驱动电路很方便实现直流电机的正转和反转。其中S3、S5为一组控制开关，S4、S6为另一组控制开关，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关闭。当S3、S5闭合，S4、S6断开时，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转；当S4、S6闭合，S3、S5断开时，电机两端加反向电压，电机反转；在采集光能过程中，我们要不断地使电机在正转和反转之间切换以跟踪太阳的角度以获得最大功率，即在S3、S5闭合且S4、S6断开，到S3、S5断开且S4、S6闭合两种状态之间的转换。图八H桥驱动电路图中，四个二极管具有续流作用。当开关S3和S5闭合，S4和S6断开时，电动机正转（反转时原理相同），转到合适角度的时候，开关S3和S5同时断开，由于电动机内部有电感效应元件，电流不能突变，电流就可以通过二极管释放。从图六右半部分可以看到，该桥式电机驱动电路用品体三级管代替普通开关，从而起到自动控制作用。3.2：行程自动控制开关在竖直方位控制的涡杆上，当升降平台到达涡杆的顶端（或底端）时，如果升降平台仍要继续往上（或往下）移动，由于已经是最顶端（或底端），这个时候很容易卡死。为了解决这个问题，我们在上下设置了开关，开关由弹性铜片和铜杆搭建而成，一般状态下，铜片和铜杆接触，即开关闭合，电路导通。当升降平台往上运动使得支撑太阳能光伏板的A板与水平面角度加大，A板到达一定高度时，碰到弹性铜片，继续往上运动会把铜片往上顶，使得铜片和铜杆之间不接触，即开关断开，电机中没有电流流过，A板停止向上运动，升降平台就不至于到达最顶端。向下运动时方法相同。当电路断开时，虽然阻止了升降平台继续往上运动，但也阻止了升降平台往下运动，因此我们设计下述开关：图九竖直方向行程自动控制开关将图九的开关电路与电动机串联后接入电路，S7路控制光伏板的向上移动，S8路控制光伏板的向下移动。当光伏板处于倾斜状态时，开关S7和S8都闭合（此时铜片1和铜片2分别与铜杆的一端点相接触），当光伏板处于接近水平状态，即竖直旋转杆的旋点到达最低端时，光伏板向下移动过程中自动使开关S8断开（铜片2与铜杆的末端脱离接触），S7仍闭合，保证电动机能接收反向电流，即光伏板能向上运动。当光伏板处于接近垂直状态，即竖直旋转杆的旋点到达顶端时，光伏板向上移动过程中自动使开关S7断开（铜片1与铜杆的顶端脱离接触），S8仍闭合，保证电动机能接收反向电流，即光伏板能向下运动。当电流从C端流向D端时，S7路接通，光伏板向上移动，到达最小仰角时停止。当电流从D端流向C端时，S8路接通，光伏板向下移动，到达最大仰角时停止。应用前景本作品属于太阳能设备范围，特别涉及一种用于太阳能电池板的太阳追踪装置。在太阳能光伏板的背面中心设置有太阳能光伏板支撑架，与上竖转轴相连接；通过两个电动机实现上述装置的上下运动和水平周转运动；太阳能光伏板上设置有感光装置，通过控制电路来控制电动机工作以实现对太阳的跟踪。实现了对太阳的全方位追踪，能够自动使太阳能光伏板与太阳光线保持垂直的跟踪系统,实现最大效率地利用太阳能。整个系统结构简单紧凑、转动灵活、价格低廉、防尘性好、性能可靠、跟踪精度高。这作品在太阳能热水器、小型太阳能发电设备开发中会得到很好的应用。小型太阳能并网发电系统对于我们这个能源消耗大国来说，有着很强的现实意义，而在美国、德国等国家都已经实现大规模并网发电⑹，将自动跟踪系统运用到太阳能并网发电系统，将会大大提高太阳能利用率。图十太阳能交通灯目前太阳能光伏发电普遍采用的固定方式是低效发电方式，如上图所示，太阳能板固定，无法正对太阳光的照射。采用太阳能跟踪系统在理论上可提高发电量40%[4]，从而降低投资20%以上。现世界上所用的太阳能跟踪系统都需要根据安放点的经纬度等信息计算一年中的每一天的不同时刻太阳所在的角度，将一年中每个时刻的太阳位置存储到PLC、单片机或电脑软件中，也就是靠计算太阳位置以实现跟踪。采用的是电脑数据理论，需要地球经纬度地区的数据和设定，一旦安装，就不便移动或装拆，每次移动完就必须重新设定数据和调整各个参数；原理、电路、技术、设备都很复杂，非专业人士不能够随便操作。而该太阳能跟踪系统是一种成本低廉、简单易用、不用计算各地太阳位置数据、不用电脑软件的太阳空间定位跟踪仪、能够不受地域和外部条件的限制、可在移动设备上随时随地准确跟踪太阳的智能跟踪系统，它最大限度的提高了太阳光能的利用率，可以广泛运用于各种领域，如把加装了智能太阳跟踪仪的太阳能发电系统安装在高速行驶的汽车、火车，以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船上，不论系统向何方行驶、如何调头、拐弯，该太阳能跟踪系统都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳。该自动跟踪系统实现了用最少的元件、最简单的电路完成最复杂工作的现实，掀开了太阳能发电这一高端应用设备快速实现实用、可靠、低成本、民用化应用发展新篇章。该系统能够真正的让太阳能的高端使用低价位进入寻常百性家庭中，让中国的太阳能应用，新能源发展都有了更加强劲的动力。技术改进系统附加的行程控制开关做的太复杂，如果能充分利用单片机技术，用单片机来控制顶端和低端的通断，可以大大减小工艺复杂度，和提高精确度，且使其更美观。此作品在水平方向控制时只用了一个电动机，虽减少了工艺成本与复杂度，但也给保持系统的结构稳定增加了难度。在大幅度旋转时会有不平稳的现象。在实际应用场合，应合理调整电机和载体板大小，增加平衡度，使工作稳定。经调试测量，此作品只能判断与光伏板夹角180度以内的照射光方向。用单片机实现先让装置旋转360度，判断光线大致方向，再进行精确定向。结束语该系统实现了光伏板的自动追日目的，当光源的方向改变时，系统能自动调节光伏板的方向，让光