一种太阳自动跟踪装置设计

太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。但由于光伏电池的输出特性与外界环境因素的变化有很大关系，目前大规模量产的光伏电池光电转换效率仍然不高且价格昂贵。光伏发电自动跟踪装置是提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量，增加发电量。本文实现了用廉价的光敏元件和单片机电路进行太阳跟踪的功能。分析了太阳运行规律，在对比目前常用跟踪方法的基础上，改进了以往的跟踪方式。将光电跟踪作为主要跟踪方式；为了确保跟踪的结果准确，在方位角和高度角调整之后，增加了一组传感器电路进行跟踪结果的验证。通过对控制系统所实现的功能分析，完成了跟踪系统的硬件和软件设计。主要内容包括：单片机接口电路设计、光强检测电路设计、控制执行部件设计以及光电跟踪模块的软件设计。完成了部分跟踪系统试验装置的制作。最后，根据试验的跟踪效果，提出改进方案。 ### 一种太阳自动跟踪装置设计的关键知识点 #### 一、太阳能与光伏电池的基本概念 - **太阳能概述**：太阳能是一种可再生的清洁能源，具有无限利用的潜力。它来源于太阳辐射的能量，可以通过各种技术转化为可用的形式，如热能或电能。 - **光伏电池**：光伏电池（Photovoltaic Cells）是利用半导体材料的光伏效应直接将太阳光转化为电能的装置。常见的材料包括硅（单晶硅、多晶硅）、非晶硅等。 #### 二、光伏电池的局限性 - **输出特性**：光伏电池的输出功率受多种外部环境因素的影响，如光照强度、温度等。 - **光电转换效率**：目前大规模生产的光伏电池的光电转换效率普遍不高，一般在15%~20%左右，而高效的光伏电池价格昂贵。 #### 三、光伏发电自动跟踪系统的重要性 - **提高能源利用率**：通过自动跟踪太阳位置，使光伏电池板始终面向太阳，可以显著提高太阳辐射的接收量，进而提高发电效率。 - **降低成本**：通过提高发电效率，可以在一定程度上降低光伏发电的成本。 #### 四、太阳自动跟踪装置的核心技术 - **光电跟踪技术**：利用光敏元件（如光敏电阻、光敏二极管等）来检测光线的方向，并通过单片机等控制器调整光伏电池板的位置，使其始终正对太阳。 - **单片机控制**：采用单片机作为核心处理器，负责处理光敏元件检测到的信息，并控制电机等执行机构进行跟踪调整。 - **光强检测电路**：用于检测不同方向的光照强度，为单片机提供决策依据。 - **控制执行部件设计**：包括电机驱动电路、机械结构设计等，用于实现光伏电池板的物理移动。 #### 五、太阳运行规律与跟踪策略 - **太阳运行规律**：地球自转和公转导致太阳在天空中的位置不断变化，需要根据时间、地点等因素计算太阳的方位角和高度角。 - **跟踪策略**： - **光电跟踪**：主要跟踪方式，通过实时检测光强变化来进行跟踪。 - **视日运动轨迹跟踪**：在阴天等特殊天气条件下作为补充跟踪方式，根据太阳的日运动轨迹预估其位置进行跟踪。 - **传感器校验**：在完成方位角和高度角调整后，通过额外的传感器进行跟踪结果的校验，确保跟踪精度。 #### 六、系统设计与实现 - **硬件设计**：包括单片机接口电路、光强检测电路、电机驱动电路等。 - **软件设计**：编写控制算法，实现光电跟踪和视日运动轨迹跟踪功能。 - **试验验证**：通过实际搭建的试验平台验证跟踪系统的性能。 #### 七、总结与展望 - **研究成果**：设计出了一种结构简单、成本低廉、运行稳定的光伏发电自动跟踪系统。 - **未来工作**：进一步优化跟踪算法，提高跟踪精度；探索解决快云遮等问题的新方法；扩展系统应用场景等。 该研究通过低成本的光敏元件和单片机实现了太阳自动跟踪的功能，对于提高太阳能的利用效率、降低光伏发电成本具有重要意义。