引言

光伏發(fā)電技術是一種可再生能源技術，而光伏發(fā)電太陽能電池板的光電轉換效率是人們一直關注的話題。本文以當前廣泛研究的光伏發(fā)電技術在沼光一體化系統中的應用為對象,旨在研制一種構造簡單、成本低、精度高、實用性強的太陽能跟隨器，用以提高系統中原有太陽能電池板的太陽能轉換效率。

1太陽能跟隨器在系統中的作用

沼光一體化供電系統的結構如圖1所示，主要包括沼氣池發(fā)電單元、太陽能發(fā)電單元、24V直流蓄電池供電單元和物聯網通信接口及主控單元等四個部分叫其中，太陽能發(fā)電單元的工作主要由光電轉換裝置即太陽能電池帆板完成，該部分配裝了太陽能電池帆板的方位角和俯仰角控制裝置，即太陽能跟隨控制結構，配以本文所述的太陽能跟隨器，從而在原有的基礎上提高了該單元的光電轉換效率。

2太陽能跟隨器的設計

2.1太陽能跟隨器的發(fā)展現狀

現在用于太陽能跟隨的裝置種類比較多，按照其工作原理的不同，太陽能跟隨器主要分為壓差式太陽能跟隨器、控

放式太陽能跟隨器、時鐘式跟隨器和比較控制式太陽能跟隨器等。

2.1.1壓差式太陽能跟隨器

壓差式跟隨器主要設計為密封方形容器，當入射太陽能發(fā)生偏斜時，密閉容器側面受光面積不同，會產生壓力差,在壓力的作用下，使跟隨器重新對準太陽。該類型跟隨器精度較低，且受溫度影響比較大。

2.1.2控放式太陽能跟隨器

控放式太陽能跟隨器類似流沙計時裝置，是在太陽能接收器的西側放置一重物，作為在陽光接收器向西的轉動力，并利用控放式自動跟隨裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉動力，使太陽能接收器向西隨著時間做偏轉運動。很明顯該裝置精度很低，且只能控制一個角度，局限性很大。

2.1.3時鐘式跟隨器

時鐘式跟隨器采用定時法，由電控系統根據時間來控制裝置的俯仰角度，控制精度較高。但是，由于電控系統的時鐘誤差會累積并不斷增大，加上白晝時長等因素的影響，系統的跟隨精度會下降，因而需要定期調整，操作不夠便捷。

2.1.4比較控制式太陽能跟隨器

利用光敏電阻在光照射時阻值發(fā)生變化的原理，將四個完全相同的光敏電阻分別放置于太陽能接收器的四個方向上。裝置跟隨驅動電動機轉動，保證東西兩個光敏電阻上的光照強度相同即可完成跟隨。該裝置精度較好，電路簡單，但是不能適應自然界中光線的變化，實際跟隨效果不理想。

2.2太陽能跟隨系統的結構設計

本系統將太陽能電池板的跟隨控制分為方位角和俯仰角兩個測控單元。又考慮到系統采用的電池板及支架重量和刮風天氣等因素的影響，本系統的電池板方位角控制采用大功率三相步進電機驅動，而俯仰角則采用兩項交流液壓泵控制驅動。系統俯仰角及方位角的控制結構如圖2所示。

2.3系統跟隨裝置設計原理

圖3所示是一個太陽跟隨裝置的原理示意圖。該太陽能跟隨裝置設計為一個墨黑色方形盒子，頂部正中心開一小孔，小盒子內有兩個環(huán)形排列的16個光敏電阻，其中心也放有一只光敏電阻，共計17只光敏電阻。系統電控單元通過多路復用AD轉換的形式可以獲取每個光敏電阻上的光強度，然后對比各電阻上的光強度，從而控制器可以進行響應的控制。

系統工作時，盒子上表面與太陽能電池板放置并保持平行，面向南方擺出約60°的仰角。在跟隨太陽能的位置時，電池板和太陽的初始狀態(tài)可能如圖3(a)所示，太陽能穿過盒子上表面中心的小孔后照射在外環(huán)側排列的光敏電阻上。系統電控單元將測得該電阻上及附近電阻受光強較大，通過比較和判斷，該系統將逐步驅動系統的俯仰角和方位角做出調整,最終達到如圖3(b)中所示的位置，從而達到電池板始終保持與太陽能垂直的效果，即實現了太陽能跟隨的目的。

圖3太陽跟隨裝置原理示意圖

基于以上原理，本系統的太陽能跟隨裝置完全可以避免寒暑季節(jié)、氣溫、風速風向等外界因素的影響，只要是有太陽的天氣，都能夠精確地找尋到太陽的位置。

2.4太陽能跟隨系統主控電路設計

通過系統結構和設計原理分析，該裝置需要測量17個AD量，并控制可以驅動大扭矩步進電機的驅動器及液壓泵電磁閥。一般的主控芯片都沒有多達17個的AD量采集接口，所以系統選擇兩個8路單端模擬量多路復用開關芯片MPC508,并通過STC12C5A60S2實現電路的驅動控制功能等。系統電路設計原理框圖如圖4所示。

2.4.1方位角跟隨機構

系統方位角步進電機選用三相步進電機3M2060，額定工作電壓范圍80～220V，可以直接接到沼光一體化系統的沼氣發(fā)電輸出上，其工作力矩大，定位精度高。主控制芯片的三個I/O管腳分別連接三相電機驅動器2M2060的使能、方向、和驅動信號接線端，從而實現對太陽跟隨器方位角的調整。而通過PB3控制固態(tài)繼電器MGR-30323810Z的通斷可控制步進電機的工作，圖5所示為方位角跟隨控制電路原理框圖。

2.4.2俯仰角跟隨機構

該機構通過交流液壓泵實現太陽能跟隨器系統的俯仰角控制功能，圖6所示為系統俯仰角跟隨控制電路原理框圖。通過控制固態(tài)繼電器的通斷，可以驅動液壓泵的正反轉，進而控制俯仰角的變化。其中，交流電源跟方位角供電電源一樣，均由沼光一體化系統自發(fā)電供應。

2.4.3太陽能跟隨器主控機構

圖7所示為太陽能跟隨器主控制器的PCB實物正面部分，可見該圖包括光敏電阻陣列、方位角驅動接口、俯仰角驅動接口，其他功能電路略。

3太陽能跟隨器在互聯網中的應用

首先，沼光一體化系統是基于物聯網技術完成的，系統設計包括了有線通信及GSM遠程控制測量反饋功能，對于解決偏遠山區(qū)或小型手工業(yè)工廠的供電問題具有深遠意義。

系統安裝時，太陽能跟隨器面向正南方放置。在晴天有太陽時，跟隨器本身可以通過智能判斷將太陽能電池板轉向正對著太陽的位置,系統響應迅速且精度很高。在陰雨及黑夜時,系統的遠程測控能通過有線互聯網或無線GSM網絡將當前的時間信息發(fā)送給太陽能跟隨單元，該單元可根據此信息做出俯仰角和方位角的大致調整，從而在保證系統工作可靠性的情況下，提高太陽能跟隨的準確度和太陽能電池板的光電轉換效率。

此外，物聯網技術在沼光一體化系統中不僅能遠程測量和反饋系統各單元的電壓、工作狀態(tài)、輸出端電壓電流值、太陽方位等信息，還能夠控制系統發(fā)電單元選擇啟動、停止等動作，從而使得系統的工作性能更加可靠，操作更加簡單、便捷和高效。

4結語

太陽能跟隨器是沼光一體化智能發(fā)電測控系統中不可缺少的一部分，它將比較控制式跟隨器和定時式跟隨器有效結合在一起，分別利用了光敏電阻陣列和物聯網技術，原理簡單,成本低廉，適于大范圍推廣。經實際驗證，本系統現有的工作方式很大程度上提高了太陽能跟隨系統的可靠性和太陽能發(fā)電的轉換效率，為進一步推廣應用沼光一體化發(fā)電技術奠定了良好的基礎。

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