光敏電阻太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的原理及構(gòu)建方法

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)(Solar power system)是一種利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)，將太陽(yáng)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(yáng)的光照角度每時(shí)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(chǎng)上通用的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)是計(jì)算一年中太陽(yáng)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(jì)算確定固定的光線接收位置，但同時(shí)也存在一旦安裝便不易裝拆或移動(dòng)的缺點(diǎn)。每次拆裝或移動(dòng)之后就必須重新調(diào)整各個(gè)參數(shù)和設(shè)定數(shù)據(jù)，因此此類(lèi)傳統(tǒng)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)對(duì)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(jiǎn)單，控制可靠的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，現(xiàn)主要采用跟蹤太陽(yáng)位置的方式最大限度地獲得輸出功率，有效地提高了太陽(yáng)能的利用效率。

1.什么是太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)

太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)面板以全天跟隨太陽(yáng)，從而優(yōu)化面板接收太陽(yáng)輻射的角度，從而最大限度地提高太陽(yáng)能系統(tǒng)的發(fā)電量。太陽(yáng)能跟蹤器通常用于地面安裝的太陽(yáng)能電池板和大型獨(dú)立太陽(yáng)能裝置，如太陽(yáng)能樹(shù)。它們通常不用于大多數(shù)住宅太陽(yáng)能項(xiàng)目，但在公用事業(yè)規(guī)模和商業(yè)/工業(yè)太陽(yáng)能市場(chǎng)中占有一席之地。當(dāng)太陽(yáng)能電池板暴露在陽(yáng)光下時(shí)，太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能電池板表面相遇的角度(稱(chēng)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(yáng)能跟蹤器通過(guò)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(gè)角度。有兩種類(lèi)型的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)：?jiǎn)屋S和雙軸。

一個(gè)單軸跟蹤器上移動(dòng)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)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(yáng)升起和落下時(shí)跟蹤太陽(yáng)。

一個(gè)雙軸跟蹤器可以讓您的面板上的兩個(gè)軸移動(dòng)，對(duì)準(zhǔn)這兩個(gè)南北和東西。這種類(lèi)型的系統(tǒng)旨在全年最大限度地收集太陽(yáng)能。除了正常的日常運(yùn)動(dòng)外，它還可以跟蹤太陽(yáng)高度的季節(jié)性變化。

通常，雙軸跟蹤器(由AllEarthRenewables等公司制造)對(duì)于太陽(yáng)能裝置來(lái)說(shuō)是一個(gè)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(yáng)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(lái)為他們的運(yùn)營(yíng)提供動(dòng)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(méi)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(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1系統(tǒng)的總體構(gòu)成

本系統(tǒng)由檢測(cè)電路、信號(hào)放大電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)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(jì)

利用光敏電阻在光照時(shí)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(gè)屬性完全相同的光敏電阻。該設(shè)計(jì)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(jì)

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(yáng)光射入光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)換器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，隨后放大器將此模擬電信號(hào)放大送入單片機(jī)，然后單片機(jī)根據(jù)采集得到的信號(hào)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(hào)。隨之輸出控制信號(hào)產(chǎn)生步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向動(dòng)作，從而使太陽(yáng)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(yáng)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(shí)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(gè)材料完全相同的光敏電阻。當(dāng)太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能電池板成直角時(shí)，因此也就保證了兩個(gè)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(gè)光敏電阻的阻值也相同，此時(shí)由單片機(jī)控制的核心控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光線與太陽(yáng)能電池板垂直方向出現(xiàn)一定夾角時(shí)，此時(shí)兩塊光敏電阻接收的太陽(yáng)光線量開(kāi)始發(fā)生變化，光敏電阻將此光線接受不平衡信號(hào)反饋給單片機(jī)控制系統(tǒng)，因此控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏電阻上的光照強(qiáng)度相同，經(jīng)過(guò)不斷感應(yīng)和調(diào)節(jié)，最終達(dá)到時(shí)刻追蹤太陽(yáng)光線的效果，在此稱(chēng)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(jì)并精確地控制系統(tǒng)。

圖3 設(shè)計(jì)電路原理圖

3.如何構(gòu)建便攜式太陽(yáng)能跟蹤器?

太陽(yáng)能跟蹤器是一種用于使太陽(yáng)能電池板向陽(yáng)光方向傾斜的裝置。太陽(yáng)能跟蹤器一整天都在跟蹤太陽(yáng)，并確保太陽(yáng)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(yáng)能電池板和線性執(zhí)行器等正確的工具，可以創(chuàng)建太陽(yáng)能跟蹤器并確保太陽(yáng)能電池板捕獲最大量的陽(yáng)光。

在制作太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)時(shí)，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(yáng)能跟蹤器，因?yàn)樗鼈冇兄诖_保或增強(qiáng)太陽(yáng)能電池板的效率。因此，在為太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)尋找執(zhí)行器時(shí)，請(qǐng)始終考慮12v太陽(yáng)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(dòng)。因此，無(wú)論太陽(yáng)的位置如何，這些執(zhí)行器都將確保太陽(yáng)能電池板在可能的最佳位置傾斜或傾斜，以提高其捕獲陽(yáng)光的效率。

3.1控制系統(tǒng)

該線性致動(dòng)器由控制Arduino的微控制器使用黃蜂馬達(dá)控制器，它通過(guò)光敏電阻的讀數(shù)來(lái)確定面板的哪一側(cè)正在接收光線并調(diào)整太陽(yáng)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(yáng)能電池板直接指向太陽(yáng)并產(chǎn)生最大功率。

圖4 太陽(yáng)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(yáng)能電池板

1xGenasunGV-1012VDC太陽(yáng)能電池板充電控制器

1個(gè)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(duì)于此太陽(yáng)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(cè)來(lái)自太陽(yáng)的光強(qiáng)度，我們使用了一個(gè)10k歐姆的光敏電阻。光敏電阻的作用類(lèi)似于受光控制的可變電阻器。電阻會(huì)隨著光強(qiáng)度的增加而降低。將需要兩個(gè)傳感器，一個(gè)在面板的東側(cè)，另一個(gè)在西側(cè)，以便能夠確定太陽(yáng)的位置。

串聯(lián)一個(gè)10kohm光敏電阻和一個(gè)7kOhm電阻，并從ArduinoMicro提供5V信號(hào)。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(qǐng)注意，光敏電阻非常敏感，可能需要限制從太陽(yáng)接收的光。

圖7 光傳感器

3.4伺服庫(kù)

所述Servo.h庫(kù)使Arduino的微通過(guò)單線命令以控制RC伺服電機(jī)如下：

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

myservo.寫(xiě)微秒(1520);//執(zhí)行器停止(1520)

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

3.5單軸跟蹤器硬件

有無(wú)數(shù)種方法可以創(chuàng)建單軸太陽(yáng)能跟蹤器。最簡(jiǎn)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(guò)使用簡(jiǎn)單的PA-14迷你線性執(zhí)行器和BRK-14支架來(lái)實(shí)現(xiàn)。選擇三腳架框架并使用3D打印部件來(lái)創(chuàng)建接頭和安裝座。這使我們能夠創(chuàng)建一個(gè)非常便攜的太陽(yáng)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(xiāo)(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(yáng)的能力外，另一種提高太陽(yáng)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(jì)算跟蹤器的傾斜度?？梢允褂靡韵碌仁接?jì)算長(zhǎng)度B：

圖9 側(cè)面透視圖

3.7詳細(xì)步驟

計(jì)算實(shí)現(xiàn)最佳傾斜所需的長(zhǎng)度

收集所需的所有組件

通過(guò)鉆孔將支架連接到太陽(yáng)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(zhǎng)度

對(duì)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(xiāo)固定

4.關(guān)于太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的常見(jiàn)問(wèn)題

4.1太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)如何工作?

太陽(yáng)能跟蹤器根據(jù)太陽(yáng)在天空中的位置調(diào)整太陽(yáng)能電池板的朝向。...通過(guò)保持面板垂直于太陽(yáng)，更多的陽(yáng)光照射到太陽(yáng)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(yáng)能跟蹤器很重要?

太陽(yáng)能跟蹤器已成為太陽(yáng)能光伏(PV)裝置的重要組成部分。根據(jù)EnergySage的說(shuō)法，它們跟蹤太陽(yáng)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(yáng)跟蹤需要哪個(gè)系統(tǒng)?

作為太陽(yáng)能聚光裝置，PTC需要太陽(yáng)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(yáng)位置來(lái)修改它們的位置。這種太陽(yáng)能集熱器的運(yùn)動(dòng)只有一個(gè)自由度，即軸上旋轉(zhuǎn)。

4.4誰(shuí)發(fā)明了太陽(yáng)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(shí)新興的太陽(yáng)能行業(yè)提供的機(jī)會(huì)。早些時(shí)候，Corio和他的團(tuán)隊(duì)開(kāi)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(duì)昂貴硅的依賴(lài)。

4.5使用跟蹤太陽(yáng)能電池板的缺點(diǎn)是什么?

價(jià)格。太陽(yáng)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(dòng)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(yáng)能跟蹤系統(tǒng)使用哪種電機(jī)?

太陽(yáng)能應(yīng)用中使用的電機(jī)類(lèi)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(yáng)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(yǔ)

以上就是光敏電阻太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)原理及構(gòu)建方法的介紹了。太陽(yáng)能跟蹤器一整天都在跟蹤太陽(yáng)，并確保太陽(yáng)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(yáng)能電池板和線性執(zhí)行器等正確的工具，可以創(chuàng)建太陽(yáng)能跟蹤器并確保太陽(yáng)能電池板捕獲最大量的陽(yáng)光。該系統(tǒng)可以在各種需要太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)備上安裝，如火車(chē)、汽車(chē)、以及通訊應(yīng)急車(chē)、特種軍用汽車(chē)、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(yáng)跟蹤儀都能保證設(shè)備的要求跟蹤部位正對(duì)太陽(yáng)。

審核編輯：湯梓紅