“向日葵”式光伏追蹤發(fā)電裝置

鄭智 張洋

摘要：進入工業(yè)化時代以來，隨著科技、經濟等各方面的迅猛發(fā)展，能源短缺已是全人類需要共同應對的難題。太陽能作為一種資源豐富、可免費使用、無運輸成本、對環(huán)境友好的可再生能源，為全球創(chuàng)造了環(huán)保的生活形態(tài)，使社會及人類文明進入一個節(jié)約能源減少污染的時代。目前，太陽能采集的最普遍方法是利用太陽能光伏電池，然而現(xiàn)階段的材料發(fā)展情況使太陽能發(fā)電還存在成本高、轉換效率低的問題。本裝置所設計的光伏追蹤發(fā)電模式可以使光伏發(fā)電面板一直追蹤太陽，在不改變現(xiàn)有材料的情況下提高光伏發(fā)電面板的效率，實現(xiàn)對太陽能的充分利用。

關鍵詞：太陽能;太陽追蹤;光伏發(fā)電;Arduino

在追蹤裝置設計過程中，經過全方位的比較，選擇使用光敏電阻矩陣作為感光模塊、開源編程Arduino控制板作為控制模塊 、伺服電機作為驅動模塊、單晶硅太陽能板作為發(fā)電模塊。在設計完成整體傳動結構后，根據裝置中不同模塊的特性進行了細致的走線、拼接、固定，最終測試完成了追蹤裝置并進行了需求的擴展設計。

裝置設計采用圍繞Arduino控制器為主控，接收其他電路進行伺服電機的驅動，在整個設計中重點考慮了控制器的性能參數，兼顧了節(jié)約成本最終得出了此設計方案。根據控制的需求與實際選用元器件的搭配，繪制出了太陽追蹤器的系統(tǒng)總體設計圖，如圖1所示。

1感光模塊

1.1傳感單元設計

整個追蹤裝置中，傳感器單元的設計是最重要的部分。追蹤器效果的好壞與否同傳感器的選擇和集成設計有著直接的聯(lián)系。本裝置準備采用四分法將傳感器劃分為四個矩陣集中于一個單元之中，以期對光強形成差異比較，進而更精確的追蹤最強光源點。

1.2傳感器選擇

采用半導體材料制作而成的光敏電阻利用內光電效應工作，在一般情況下，光線越強其阻值會越小。由于在地面觀測太陽移動其實是一個緩慢的過程，且不是在天氣變化較大的日子里，太陽也不會出現(xiàn)光強在短時間內大幅度變化的情況，所以，擬使用四個同型號的普通環(huán)氧樹脂封裝的光敏電阻作為基本感光元件，按照坐標軸四象限進行排列分布。

2控制模塊

2.1控制邏輯設計

相對地面來講，太陽在天空中的移動十分緩慢，所以追蹤器不必達到秒級實時追蹤，僅需間隔單位時間進行電機的轉動，間隔追蹤便可實現(xiàn)太陽追蹤器的需求。光敏電阻的感光元件在數據處理上不復雜，總體需求比較簡單，所以控制器的運算能力無需很強。由于裝置是全天候運行，且運行的環(huán)境主要在室外，經常會遇到強風、雷雨等惡劣天氣，因此控制器的穩(wěn)定性必須作硬性的高要求，同時功耗方面也應盡量少。

2.2開發(fā)程序選擇

Arduino IDE（集成開發(fā)環(huán)境）可跨平臺通用，在Windows、MacOS、Linux等主流操作系統(tǒng)中都能使用，而且Arduino在使用上非常簡單，即便沒有單片機基礎技術也能快速上手，這樣能夠大大節(jié)約學習成本、縮短開發(fā)周期，根據本裝置所需的I/O接口特性和數目等綜合考量，最終選擇Arduino UNO作為控制板。

3驅動模塊

3.1驅動設計

本裝置使用的太陽能光伏面板質量較小，且設計結構較為緊湊對電機扭矩要求較低，因此，電機的選擇中需要側重考慮電機控制的方便性。光敏電阻對電機的有效運行進行特別反饋，再根據Arduino對各種特性電機控制的便捷性，舵機是比較適合的一種驅動工具。

3.2舵機選擇

由于普通舵機的轉動角度只有0°—180°[1]，在俯仰軸方向是符合設計要求的，但水平軸要求在平面內360°轉動，如果使用普通舵機則需要進行一定的處理。考慮到本裝置中所需的扭矩不大，對齒輪的沖擊較小，傳動結構要符合本裝置中的傳動需求所以選擇360°類步進電機的舵機是最適合的，而且其能直接使用Arduino中servo函數對其進行控制。

4發(fā)電模塊

4.1轉化效率

目前，對太陽能的利用有光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩種主要形式[2]，相比起傳統(tǒng)的光熱轉換，更理想的使用方式是將太陽能轉化為電能，但現(xiàn)階段光熱電轉化的技術瓶頸尚未解決，光伏發(fā)電若能形成規(guī)?；档桶l(fā)電成本，運用前景非常廣泛。但就現(xiàn)階段情況來看，受限于材料技術發(fā)展和預算成本的綜合考量，各種太陽能發(fā)電裝置在性價比和效率上都不能達到十分令人滿意的狀況。目前整體情況來說，單晶硅太陽能發(fā)電介質的效率普遍能達到16%～22%，多晶娃為14%～16%，非晶珪為10%左右。

4.2光伏發(fā)電面板選擇

太陽能光伏發(fā)電板的尺寸、重量直接關系著跟蹤器的設計結構、電機選擇等方面，是追蹤裝置設計中最基礎的一部分，根據現(xiàn)有條件，擬選擇一塊型號為5W的半柔性單晶硅太陽能光伏發(fā)電板作為本裝置所選用的發(fā)電模塊。

5儲電監(jiān)測

由于5W的光伏發(fā)電面板進行光電轉換所產生的電量非常有限，在本裝置中將用一節(jié)7號充電電池進行電能的接收。在光強很弱的情況下所轉換的電能更是有限，所以本裝置外接了一個靈敏電壓表進行裝置是否正常運行的監(jiān)測。

6裝置模型

以下為整個太陽追蹤發(fā)電裝置的圖，如圖2。

7需求擴展

隨著物聯(lián)網的高速發(fā)展，未來通過集成化網絡對機械裝置進行控制已是大勢所趨[3]，本裝置基于此種場景化考量，預留了數據信號上報接口，根據數據采集器（DTU）周期性的上報采集傳感器數據信號，將信號通過PC端或移動的程序進行分析運算后展示給用戶，用戶通過反饋對追蹤裝置介入精準控制。

參考文獻：

[1] 韓英永.基于DSP的步進電機控制系統(tǒng)設計研究[J].通信電源技術，2020，37（1）：59-62.

[2] 王長貴巧發(fā)利用新能源與可再生能源的重大意義[J].太陽能，2000（4）：6-7.

[3]譚艷萍，羅永，熊琰.“新工科”背景下的物聯(lián)網控制課程教學改革研究[J].信息系統(tǒng)工程，2019（12）：166-167.