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 The Design of Automatic Tracking System for Solar Power Ying-kai Tang, Yin-yin Lv, Ying Ma (College of Information and Electronic Engineering, Zhejiang Gongshang University, Hangzhou, 310018) Abstract: In this paper, we designed the full-automatic to follow the solar energy. Firstly, we analyzed the overall structural of the working principle that automatically track the sun, and described the overall system design ideas. Subsequently, discussed and compared to enlarge part, H bridge driver part and the automatically switch part. Finally we analyzed the prospects of application, and present the place that is not ideal to work and the corresponding improvement directions. Keywords: Follow automation; H-bridge driver; Solar energy 1 1.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 [2]， 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 [2]，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±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 2 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 ，其方程为 ，平面 的方程为l czbyax000 ，设平面 为水平面，则与平面 垂直的平面都是竖直面，0DCzByAxyx 如图一所示。 图一 三维坐标中的线面图 直线的方向向量为： （1）),(cbam 该直线与水平面的夹角： 3 （2）)arctn(21b 平面法向量： （3）),(CBAn 该向量与水平面的夹角： （4）)arct(221 过已知直线做竖直面 ：1 （5）0)()(0yxab 过 做竖直面 ：n2 （6）yxAB 将平面 在 平面上沿逆时针方向旋转 度，然后在竖0DCzyAx 1 直平面上沿逆时针方向旋转 度，就可以使 和直线 平2nczbyax000 行，即平面和直线垂直，其中 是竖直面 和竖直面 的夹角， 是 和11221 的夹角，即：1 （7）)arctn()arct(1ABb （8）)tat 222 bcC 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： 4 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 xy 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 xy 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 y z 5 变化（图三所示） ，从而实现太阳能光伏板平面（A 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 6 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 ，经过 LM324 芯)(21V 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 时，21 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， ，驱动电路 2 导通，电动机反转，带动系统向21V 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。 7 3．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）： 图六 水平方位自动转动跟踪电路原理图* 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 IN1 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。 图七 手动开关 B 8 *IN1 为左边光电池输出，IN2 为右边光电池输出 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晶体三级管代替普通开 关，从而起到自动控制作用。 9 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 10 仰角时停止。 4.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 [6]，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 11 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。 5.技术改进 1．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。 2．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。 3. 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 12 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，让光线随时垂直照射光伏板，从而最大效率的进行光电转 换。 参考文献 [1] 欧阳平凯 . 低碳经济. 工业生物技术的作用. 科学时报. 2009.6.15 B2 专题 [2] 严陆光 . 在荒漠地区发展大规模综合能源基地. 科学新闻 2008 年 12 月 第 二期 院士建议 [3] 康华光. 电子技术基础（模拟部分）. 高等教育出版社. 2006 年 [4] Sebastian A. Reyes, Alexander Struck and Sebastian Eggert. Lattice defects and boundaries in conducting carbon nanotubes. Department of Phuysics and Research Center OPTIMAS, May 1,2009 [5] Filippo Caruso, Alex W. Chin, Animesh Datta, Susana F.Huelga, and Martin B.Plenio.Entanglement and entangling power of the dynamics in light-harvesting complexes. Institut fur Theoretische Physik, Albert-Einstein-Allee 11, Universitat Ulm, D-89069 Ulm, Germany [6] Luis E.F.Foa Torres, Gianaurelio Cuniberti. AC transport in carbon-based devices: challenges and perspectives. Institute for Materials Science and Mar Bergmann Center of Biomaterials, Dresden University of Technology, D-01062 Dresden, Germany June 9,2009