太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)(Solar power system)是一種利用太陽電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽的光照角度每時每刻都在變化，所以導(dǎo)致傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)采光率低從而發(fā)電效率低。目前市場上通用的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是計算一年中太陽所在的角度，其原理是根據(jù)安放地點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息，進(jìn)行整合計算確定固定的光線接收位置，但同時也存在一旦安裝便不易裝拆或移動的缺點(diǎn)。每次拆裝或移動之后就必須重新調(diào)整各個參數(shù)和設(shè)定數(shù)據(jù)，因此此類傳統(tǒng)太陽能發(fā)電系統(tǒng)對后續(xù)安裝的原理、電路和技術(shù)等有著較高的要求。為了彌補(bǔ)上述的缺陷，本文介紹了一種跟蹤精度高，結(jié)構(gòu)簡單，控制可靠的太陽跟蹤系統(tǒng)，現(xiàn)主要采用跟蹤太陽位置的方式最大限度地獲得輸出功率，有效地提高了太陽能的利用效率。

1.什么是太陽跟蹤系統(tǒng)

太陽能跟蹤系統(tǒng)通過移動面板以全天跟隨太陽，從而優(yōu)化面板接收太陽輻射的角度，從而最大限度地提高太陽能系統(tǒng)的發(fā)電量。太陽能跟蹤器通常用于地面安裝的太陽能電池板和大型獨(dú)立太陽能裝置，如太陽能樹。它們通常不用于大多數(shù)住宅太陽能項(xiàng)目，但在公用事業(yè)規(guī)模和商業(yè)/工業(yè)太陽能市場中占有一席之地。當(dāng)太陽能電池板暴露在陽光下時，太陽光線與太陽能電池板表面相遇的角度(稱為“入射角”)決定了電池板將入射光轉(zhuǎn)化為電能的能力。入射角越窄，光伏面板可以產(chǎn)生的能量就越多。太陽能跟蹤器通過調(diào)整面板的方向使光線垂直于它們的表面照射它們，從而幫助最小化這個角度。有兩種類型的太陽能跟蹤系統(tǒng)：單軸和雙軸。

一個單軸跟蹤器上移動運(yùn)動的一個軸，通常與南北排列的面板。這些設(shè)置允許您的面板從東到西呈弧形，并在太陽升起和落下時跟蹤太陽。

一個雙軸跟蹤器可以讓您的面板上的兩個軸移動，對準(zhǔn)這兩個南北和東西。這種類型的系統(tǒng)旨在全年最大限度地收集太陽能。除了正常的日常運(yùn)動外，它還可以跟蹤太陽高度的季節(jié)性變化。

通常，雙軸跟蹤器(由AllEarthRenewables等公司制造)對于太陽能裝置來說是一個不太受歡迎的選擇，即使在大型公用事業(yè)規(guī)模項(xiàng)目中也是如此。雙軸跟蹤器可能適用于某些商業(yè)地產(chǎn)的情況，由于用于安裝太陽能電池板的商業(yè)屋頂空間有限，雙軸跟蹤器可以比典型的靜態(tài)面板產(chǎn)生高達(dá)45%的能量，可以幫助企業(yè)在狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生足夠的電力來為他們的運(yùn)營提供動力。公用事業(yè)規(guī)模的安裝通常不需要雙軸設(shè)置，因?yàn)樗鼈兾挥诖笃恋厣?，沒有商業(yè)屋頂空間的狹小空間限制。

2.基于光敏電阻的太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計原理

2.1系統(tǒng)的總體構(gòu)成

本系統(tǒng)由檢測電路、信號放大電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路與核心控制電路等部分組成。各組成部分有序合理，符合電路、機(jī)械等設(shè)計的基本原則，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成圖

2.2系統(tǒng)的硬件設(shè)計

利用光敏電阻在光照時阻值發(fā)生變化的原理，在一塊電池板東西方向邊沿處的下方放置兩個屬性完全相同的光敏電阻。該設(shè)計性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理、跟蹤準(zhǔn)確、方便易用。結(jié)構(gòu)設(shè)置如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)設(shè)置圖

2.3系統(tǒng)的軟件設(shè)計

光敏電阻光強(qiáng)比較法，該比較法中用的是光電轉(zhuǎn)換電路。首先太陽光射入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光信號轉(zhuǎn)換成模擬電信號，隨后放大器將此模擬電信號放大送入單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)采集得到的信號進(jìn)行分析比較，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。隨之輸出控制信號產(chǎn)生步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動與轉(zhuǎn)向動作，從而使太陽能電池面板始終垂直于入射光線，進(jìn)而最終實(shí)現(xiàn)太陽能的高利用效率。

根據(jù)光敏電阻在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時其阻值隨之發(fā)生變化的原理，在一塊電池板東西方向邊沿處的下方放置兩個材料完全相同的光敏電阻。當(dāng)太陽光線與太陽能電池板成直角時，因此也就保證了兩個屬性完全相同光敏電阻接收到的光強(qiáng)度相同，由此這兩個光敏電阻的阻值也相同，此時由單片機(jī)控制的核心控制系統(tǒng)發(fā)出信號使電動機(jī)不轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽光線與太陽能電池板垂直方向出現(xiàn)一定夾角時，此時兩塊光敏電阻接收的太陽光線量開始發(fā)生變化，光敏電阻將此光線接受不平衡信號反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)發(fā)出信號使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，直至兩個光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，經(jīng)過不斷感應(yīng)和調(diào)節(jié)，最終達(dá)到時刻追蹤太陽光線的效果，在此稱之為光敏電阻光強(qiáng)比較法。

電路原理如圖3所示，其優(yōu)點(diǎn)在于能夠較為容易地實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計并精確地控制系統(tǒng)。

圖3 設(shè)計電路原理圖

3.如何構(gòu)建便攜式太陽能跟蹤器?

太陽能跟蹤器是一種用于使太陽能電池板向陽光方向傾斜的裝置。太陽能跟蹤器一整天都在跟蹤太陽，并確保太陽能電池板盡可能多地捕獲或收集能量。他們的唯一目的只是為了最大化產(chǎn)出。利用太陽能電池板和線性執(zhí)行器等正確的工具，可以創(chuàng)建太陽能跟蹤器并確保太陽能電池板捕獲最大量的陽光。

在制作太陽能跟蹤系統(tǒng)時，使用12v線性執(zhí)行器確實(shí)是可取且有益的。12v執(zhí)行器通常用于太陽能跟蹤器，因?yàn)樗鼈冇兄诖_?；蛟鰪?qiáng)太陽能電池板的效率。因此，在為太陽能跟蹤系統(tǒng)尋找執(zhí)行器時，請始終考慮12v太陽能跟蹤器執(zhí)行器。12v執(zhí)行器的主要優(yōu)點(diǎn)之一是它以更高的精度實(shí)現(xiàn)所需的運(yùn)動。因此，無論太陽的位置如何，這些執(zhí)行器都將確保太陽能電池板在可能的最佳位置傾斜或傾斜，以提高其捕獲陽光的效率。

3.1控制系統(tǒng)

該線性致動器由控制Arduino的微控制器使用黃蜂馬達(dá)控制器，它通過光敏電阻的讀數(shù)來確定面板的哪一側(cè)正在接收光線并調(diào)整太陽能電池板的位置，直到光敏電阻的讀數(shù)相當(dāng)相等。這確保太陽能電池板直接指向太陽并產(chǎn)生最大功率。

圖4 太陽追蹤器

控制系統(tǒng)所需器件：

1xPA-14迷你線性執(zhí)行器–6英寸–150磅力

1xSungoldSGM-90W-1890瓦太陽能電池板

1xGenasunGV-1012VDC太陽能電池板充電控制器

1個Arduino微型PLC

1x黃蜂電機(jī)控制器

2x10kOhm光敏電阻和2x7kOhm電阻器

1x12VDC鋰可充電電池

1x點(diǎn)煙器連接器，用于12V配件(可選)

圖5 控制系統(tǒng)器件

3.2電機(jī)控制器

對于此太陽能跟蹤器的控制部分，將使用ArduinoMicro和WASP電機(jī)控制器。Wasp電機(jī)控制器由ArduinoMicro使用脈寬調(diào)制控制。然后，Wasp從12V電池獲取電源以伸縮PA-14迷你線性執(zhí)行器。我們選擇了150lbs力執(zhí)行器，因?yàn)榕c擁有的負(fù)載的35lbs力版本相比，它消耗的電流更少。

圖6 電機(jī)控制器

3.3光傳感器

為了檢測來自太陽的光強(qiáng)度，我們使用了一個10k歐姆的光敏電阻。光敏電阻的作用類似于受光控制的可變電阻器。電阻會隨著光強(qiáng)度的增加而降低。將需要兩個傳感器，一個在面板的東側(cè)，另一個在西側(cè)，以便能夠確定太陽的位置。

串聯(lián)一個10kohm光敏電阻和一個7kOhm電阻，并從ArduinoMicro提供5V信號。使用ArduinoMicro上的模擬輸入讀取7kOhm電阻器上的電壓讀數(shù)。由于電路的行為與分壓器完全一樣，因此7k歐姆電阻的模擬讀數(shù)將隨著光強(qiáng)度的增加而增加。請注意，光敏電阻非常敏感，可能需要限制從太陽接收的光。

圖7 光傳感器

3.4伺服庫

所述Servo.h庫使Arduino的微通過單線命令以控制RC伺服電機(jī)如下：

myservo。寫微秒(1000);//執(zhí)行器全速向后(1000)

myservo.寫微秒(1520);//執(zhí)行器停止(1520)

myservo.寫微秒(2000);//執(zhí)行器全速前進(jìn)(2000)

3.5單軸跟蹤器硬件

有無數(shù)種方法可以創(chuàng)建單軸太陽能跟蹤器。最簡單的方法是使用PVC管和PVC角接頭構(gòu)建框架。最重要的部分是跟蹤能力，這可以通過使用簡單的PA-14迷你線性執(zhí)行器和BRK-14支架來實(shí)現(xiàn)。選擇三腳架框架并使用3D打印部件來創(chuàng)建接頭和安裝座。這使我們能夠創(chuàng)建一個非常便攜的太陽能跟蹤器框架，具有最佳的傾斜度和跟蹤能力。

3/4"銅管

1x3/4"銅管端蓋

3x3/4"齒輪夾

3/4"PVC管

1x1齒輪夾

5xM6螺栓、螺母和墊圈

各種3D打印支架

2x執(zhí)行器安裝銷(可在BRK-14套件中找到)

1xPA-14微型線性執(zhí)行器

圖8 小型線性執(zhí)行器

3.6最佳傾斜度

除了增加跟蹤太陽的能力外，另一種提高太陽能電池板效率的方法是根據(jù)您的位置調(diào)整固定傾斜度。最佳傾斜度取決于您所在位置的緯度，可參考下方側(cè)面透視圖，計算跟蹤器的傾斜度?？梢允褂靡韵碌仁接嬎汩L度B：

圖9 側(cè)面透視圖

3.7詳細(xì)步驟

計算實(shí)現(xiàn)最佳傾斜所需的長度

收集所需的所有組件

通過鉆孔將支架連接到太陽能電池板并用適當(dāng)?shù)穆菟ü潭ā?/p>

將銅管和PVC管切割成一定長度

對銅管和PVC管進(jìn)行油漆和打磨

將支架連接到管道上并用齒輪夾固定

安裝PA-14微型線性執(zhí)行器并使用BRK-14執(zhí)行器安裝銷固定

4.關(guān)于太陽跟蹤系統(tǒng)的常見問題

4.1太陽能跟蹤系統(tǒng)如何工作?

太陽能跟蹤器根據(jù)太陽在天空中的位置調(diào)整太陽能電池板的朝向。...通過保持面板垂直于太陽，更多的陽光照射到太陽能電池板上，反射的光更少，吸收更多的能量。這種能量可以轉(zhuǎn)化為電能。

4.2為什么太陽能跟蹤器很重要?

太陽能跟蹤器已成為太陽能光伏(PV)裝置的重要組成部分。根據(jù)EnergySage的說法，它們跟蹤太陽在天空中位置變化的能力可以顯著提高光伏系統(tǒng)的能量增益，在某些情況下可提高25%到35%。

4.3太陽跟蹤需要哪個系統(tǒng)?

作為太陽能聚光裝置，PTC需要太陽能跟蹤系統(tǒng)根據(jù)天空中從日出到日落的變化的明顯太陽位置來修改它們的位置。這種太陽能集熱器的運(yùn)動只有一個自由度，即軸上旋轉(zhuǎn)。

4.4誰發(fā)明了太陽跟蹤系統(tǒng)?

Array由首席執(zhí)行官RonCorio于1989年在阿爾伯克基創(chuàng)立，旨在尋求當(dāng)時新興的太陽能行業(yè)提供的機(jī)會。早些時候，Corio和他的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種創(chuàng)新的聚光光伏模塊系統(tǒng)方法，可以最大限度地減少對昂貴硅的依賴。

4.5使用跟蹤太陽能電池板的缺點(diǎn)是什么?

價格。太陽能跟蹤器比固定式跟蹤器略貴，因?yàn)樗鼈兊牟僮餍枰鼜?fù)雜的技術(shù)和移動部件。根據(jù)項(xiàng)目的規(guī)模和位置，這通常大約增加0.08美元至0.10美元/瓦。

4.6太陽能跟蹤系統(tǒng)使用哪種電機(jī)?

太陽能應(yīng)用中使用的電機(jī)類型涵蓋了所有領(lǐng)域。交流感應(yīng)電機(jī)已用于早期的太陽能跟蹤系統(tǒng)，因?yàn)樗鼈兛梢灾苯訌碾娋W(wǎng)獲取電力，但很難以大多數(shù)跟蹤應(yīng)用所需的低速控制交流電機(jī)。

結(jié)語

以上就是光敏電阻太陽跟蹤系統(tǒng)原理及構(gòu)建方法的介紹了。太陽能跟蹤器一整天都在跟蹤太陽，并確保太陽能電池板盡可能多地捕獲或收集能量。他們的唯一目的只是為了最大化產(chǎn)出。利用太陽能電池板和線性執(zhí)行器等正確的工具，可以創(chuàng)建太陽能跟蹤器并確保太陽能電池板捕獲最大量的陽光。該系統(tǒng)可以在各種需要太陽能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備上安裝，如火車、汽車、以及通訊應(yīng)急車、特種軍用汽車、軍艦或輪船等，不論這些大型運(yùn)輸設(shè)備向何方行駛、如何調(diào)頭、拐彎，智能太陽跟蹤儀都能保證設(shè)備的要求跟蹤部位正對太陽。

審核編輯：湯梓紅