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摘要：我国幅员辽阔，太阳能资源十分丰富，太阳能在新能源中具有很大的优势，因此研究和开发太阳能对环境保护和可持续发展有很深远的意义。本文研究一种全天候太阳能电池板的自动跟踪系统，可以最大限度的利用光能、储备光能，及对环保能源开采和环境保护有重要的研究价值。
关键词：全天候 太阳能 自动跟踪系统 装置
太阳能以利用方便简捷、清洁干净、成本低为显著特点，以太阳能为代表的新能源的广泛应用是经济社会可持续发展的必要条件之一，尤其难能可贵的是，利用太阳能发电可以在一定程度上解决能源短缺的问题。目前，太阳能发电由于受技术条件限制，光伏转换效率低，在没有出现更高效的光伏转换材料之前，如何提高太阳能电池板的发电量是关键课题之一。
1 自动追踪系统原理及整体方案
本文论述的系统是一种单轴太阳能电池板自动跟踪追日系统，主要包括机械部分和控制部分。机械装置由电机驱动，可以使电池板水平方向角为0°-180°，控制部分主要由单片机系统构成，单片机系统具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点，由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制。垂直方向角变化不大，可手动进行调整，使太阳能电池保持较大的发电功率。
1.1 追踪传感器模块分析
追踪传感器主要经由四颗特性相近光敏电阻构成，负责侦测东西南北四个方向的光源强度，于各方向均有一个光敏电阻，并以45度角朝向光源处，并将该方向设置基座以将该方向以外的光线隔离，以达到快速判别太阳位置的广角式搜索。四个传感器分为两组，一组是两个光敏电阻做为东西向的传感器，用以比较东西向受光强度的差异。当东西向的传感器接受到的光源强度不一致时，系统会依据东西向两传感器输出电压得到信号，使用电压型模拟数字转换（A/D Converter）、IC（ADC0804）判读到的传感器输出电压数值的不同，判断该方向的受光较强，并且驱动步进电机朝向该方前进，当东西向传感器输出值相等时，则输出的差值为零、电机驱动电压亦为零，即追踪到太阳目前的位置。另一组的南北向传感器，则是相似的原理，用来追踪太阳在南北向的位置。
1.2 单片机控制模块分析
本系统需要在东西、南北两个方向上对太阳光照射角进行跟踪，跟踪方式可由太阳照射规律进行设计。跟踪系统需要单片机通过对时间进行判断、比较和提取，再按照不同的时间控制步进电机使太阳能电池板进行相应的角度改变。
太阳能电池板与蓄电池之间需要控制器进行连接，以控制在不同的情况下蓄电池的充放电情况。如夜间、阴雨天等情况下太阳能电池板无法提供电能，此时即需要控制器阻止蓄电池向电池板放电。因此，在本系统中，控制器是必不可少的器件。
2 全天候太阳能改良分析
2.1晴天下接收装置的改良分析。
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目前国内太阳能光伏发电装置的太阳能电池板主要是采用面朝南方固定式安装的，缺乏智能装置，很难实现高效率的发电，很难推广生产。故可在其输入端的两组光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻；一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差，当单片机接收到的信号有差额时，就控制两个步进电机对电池板进行转向控制，进而能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。
2.2阴雨天下接收装置的改良分析。
目前国内有根据时角坐标系太阳运动规律设计的极轴式太阳全跟踪系统，此设计与阴雨天无关，但在晴天时控制不精确，为了改善装置使之既能在晴天精确工作又能在阴雨天精确工作，可拟开发一种具有天文跟踪模式的系统，当外界光强度在设定的某个范围内时，系统将开启天文跟踪模式，以确保系统在阴天时也能正常工作。
2.3小因素干扰下接收装置的改良分析。
目前国内外还没有那个装置考虑过在小因素影响下系统的运行，小因素会对系统产生干扰，如当有一片云飘过时，由于接收器接收到的光强不同，系统会发生偏转，而白云飘过时，系统也会做出响应而产生偏转，这样造成了电能的浪费，针对这个缺点，可拟设计一温度控制系统，通过算法，避免小因素的干扰，实现系统抗扰动的功能。
3 方法分析
3.1在系统中建立实时太阳定位模型。
分析太阳的运动规律可以发现：太阳的运动与太阳的高度角有关。太阳高度角是太阳光线与地表水平面之间的最小夹角，在0°～90°之间变化。太阳高度角愈小，等量的太阳辐射能光束所散布的面积愈大，地表单位面积上所获得太阳辐射能就愈少。太阳高度角随时间、地点而不同。地球上任意纬度，一年中任意一天中任意时刻的太阳高度角由下式计算。
sinH=sinδ×sinβ+cosδ×cosβ×cosβ
式中，β为观测点的地理纬度，赤纬角δ和时角ω。
其中赤纬角为太阳直射光线与赤道平面之间的夹角，可由Cooper（1969）的近似计算公式求得：
δ=23.45×sin[360×（284+n）/365]
式中，δ—赤纬角，n—积日，自1月1日算起的天数。
在一天当中，太阳赤纬角变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由时角ω表示，太阳在正午时为0°，每小时变化15°，上午为正，下午为负。因此有：
ω=（12-T）×15
式中，T—当地时间。
3.2设计抗小因素干扰算法。
分析小因素的问题，经测试，太阳能电池板上的温度变化不大，因此，利用这一特点，可开发一种温控系统连接单片机，进行编程控制，当温度变化小而又有光强有改变时，单片机会滤过这一信息，从而实现抗小因素功能。
结论
全天候太阳能自动跟踪装置中，检测系统和控制系统相互配合，检测系统把光线移动的信息及时传送给控制系统，达到实时跟踪的目的，装置经过了实测数据和运行状况的观测，反应灵敏，效果良好，设计有效地提高了装置的工作效率。
参考文献
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论文作者:张华山
论文发表刊物:《防护工程》2017年第14期
论文发表时间:2017/11/7
标签：太阳论文; 太阳能论文; 电池板论文; 系统论文; 装置论文; 东西向论文; 传感器论文; 《防护工程》2017年第14期论文;