一種光電式太陽跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

摘  要： 為了研究一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉且跟蹤精度高的太陽跟蹤設(shè)備,，設(shè)計了一種雙軸跟蹤控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了太陽光照射方向的實時跟蹤,。系統(tǒng)以LM324為核心,，采用兩組光敏電阻,，構(gòu)建了一種光電傳感器跟蹤模式，通過光照強度不同而導(dǎo)致光敏電阻的阻值不同,，采用橋式比較電路后,，再通過起比較器作用的LM324來控制兩臺直流減速電機驅(qū)動雙軸跟蹤裝置以便調(diào)整支架的位置，直到固定平面與太陽光垂直,，獲得最大的光照量,，因而能大大提高太陽能的利用率。
關(guān)鍵詞： 雙軸,；光敏電阻,；直流減速電機；LM324

     傳統(tǒng)的燃料能源正在一天天減少,，能源問題已經(jīng)成為不容忽視的全球性問題,，而且隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，能源的需求日益增加,，以化石能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)越來越不適合可持續(xù)發(fā)展的需要,，人類正在面臨著能源嚴(yán)重短缺和燃燒化石能源造成的環(huán)境污染問題，因此,，尋找新能源,，已經(jīng)成為當(dāng)務(wù)之急。很快人們把目光聚焦在了身邊的可再生能源,，水能,、風(fēng)能、太陽能,、地?zé)崮?、海洋能、生物質(zhì)發(fā)電等等,，這些新能源都成為替代傳統(tǒng)一次性能源的新目標(biāo),。而每天豐富的太陽輻射能[1]是取之不盡、用之不竭的,，并且又有著無污染,、廉價的優(yōu)點，從而越來越受到人們的青睞,，在人們的生活,、工作中都有著廣泛的應(yīng)用。
     實驗表明,，在相同情況下,，自動跟蹤太陽集熱裝置[2]可以提高集熱溫度和集熱效率，太陽能光電自動跟蹤發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量高30%,。因此,，高精度太陽自動跟蹤技術(shù)也成為了當(dāng)今的熱點研究技術(shù),。
    傳統(tǒng)的太陽能設(shè)備都采用固定式或者單軸跟蹤技術(shù)。固定式的太陽能設(shè)備不隨太陽位置的變化而移動,，嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)換效率,。而現(xiàn)有的單軸跟蹤系統(tǒng)[6]不能滿足高精度的需求，并降低了機械裝置的安全性和穩(wěn)定性,，阻礙了其大規(guī)模的普及應(yīng)用,。針對這一現(xiàn)狀，本文在對當(dāng)前各種跟蹤技術(shù)[3]方案論證的基礎(chǔ)上,，開發(fā)了一種成本低,、跟蹤精度高、實用性強的雙軸太陽跟蹤控制系統(tǒng),。
1 光電式太陽跟蹤系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
    本文設(shè)計的光電式太陽跟蹤[4]系統(tǒng)是由光電探測器,、控制電路和機械傳動機構(gòu)三部分組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

1.1 光電探測器
    將太陽在天空位置的改變歸結(jié)為兩個相互垂直的方向,，即沿東西方向的變化(從日出到日落的變化)和沿南北方向的變化，分別用方位角和高度角來描述[5],。用一對光電探測器檢測方位角的變化,；用另一對光電探測器檢測高度角的變化。當(dāng)一對光電探測器受到的光照度一樣時,，說明太陽光與太陽能電池板法線的夾角為零,，太陽光是垂直入射到太陽能電池板上的；當(dāng)一對光電探測器受到的光照度不一樣時,，說明太陽光與太陽能電池板法線間的夾角不為零,，太陽光偏離了垂直入射方向，則需要調(diào)整太陽能電池板的方位,?？紤]到成本，本文使用4個光敏電阻來作為光電探測器,，分為兩組,，經(jīng)實驗后，效果理想,。
1.2 控制電路
    本設(shè)計的控制電路由信號采集,、信號比較兩部分構(gòu)成?？刂齐娐啡鐖D2所示,。

    本電路的特點是每組由兩只光敏電阻組成，一組檢測東西方向的光照,，另外一組檢測南北方向的光照,。光敏電阻隨光照的變化產(chǎn)生電阻變化,，然后轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號送至比較器LM324的輸入端，LM324輸出相應(yīng)的控制信號,，控制驅(qū)動電機工作，及時調(diào)整電池板的角度,，實現(xiàn)電池板的實時跟蹤,，從而提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。所以,，本文設(shè)計的控制電路能夠根據(jù)太陽所處的具體位置對太陽進行實時跟蹤,， 而且調(diào)試簡單， 成本低,，使用方便,。
1.3 機械執(zhí)行機構(gòu)
    本設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，剛性較好,，成本低廉,，可在各種環(huán)境下使用，克服了其他陽光跟蹤系統(tǒng)中機械傳動部分結(jié)構(gòu)復(fù)雜笨重的問題,。因此在機械執(zhí)行機構(gòu)中,，在驅(qū)動裝置上使用了功率較小的直流減速電機，降低了驅(qū)動部分的能源損耗,。
    此外,，為了實現(xiàn)全方位控制的目的，本文設(shè)計了兩塊控制電路來驅(qū)動兩個直流減速電機,，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)方位角和高度角的雙跟蹤,。

3 硬件調(diào)試
    重點介紹圖2中R5和R6這兩個電阻。剛開始設(shè)計的電路是沒有這兩個電阻的,，但在做跟蹤太陽的試驗時,，會出現(xiàn)抖動的現(xiàn)象，無法鎖定太陽,。通過分析電路,，決定在對準(zhǔn)時制造一個窗口區(qū)間用來鎖定裝置，由于LM324的阻抗很大,，小電阻產(chǎn)生不了壓降,，慢慢加大這兩個電阻的阻值，經(jīng)反復(fù)試驗后發(fā)現(xiàn),，這兩個電阻的阻值為5.1 MΩ時效果最好,。最后反復(fù)推敲得出結(jié)論：電機轉(zhuǎn)動速度過快，在對準(zhǔn)太陽時,，因為存在慣性無法立即停止,，會繼續(xù)往前一點,，這時電機又會往回糾正，如此反復(fù),，這就是出現(xiàn)顫抖的原因,，增加這兩個5.1 MΩ的電阻后，會產(chǎn)生0.2 V的壓降,，相當(dāng)于制造了一個窗口,，在這個窗口內(nèi)，裝置不再檢測并執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)動,，只有偏離這個窗口才會執(zhí)行檢測,，這樣就消除了抖動的現(xiàn)象。
    本文設(shè)計的一種由光電探測器,、控制電路,、機械執(zhí)行機構(gòu)三部分組成的光電式太陽跟蹤器，該跟蹤器以LM324為核心,，外圍電路簡單,，性能穩(wěn)定可靠，跟蹤精度高,，功耗低,。由于該太陽跟蹤器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉,，所以具有發(fā)展?jié)摿?。可實際應(yīng)用于太陽能路燈等光電系統(tǒng),，現(xiàn)場試驗證明該系統(tǒng)具有可推廣性,。
參考文獻
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[3] 王尚文,，高 偉,，黃樹紅.混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J].可再生能源，2007,，25(6):10-13.
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