太阳能跟踪装置的领域分析与改良

摘要：太阳能具有清洁、方便、经济、安全、环保，取之不尽、用之不竭等优势，成为今后能源关注的重点。但太阳能的利用受地形、地势、位置、云雨等自然条件的影响大，太阳能电池的成本较高而转化效率太低，使之在较其他能源有着众多优势的情况下，仍不能得到普及利用。所以太阳能跟踪技术应运而生。经实验测得，跟踪式太阳能比固定式太阳能技术提高30%的发电量。就太阳能跟踪装置的发展现状做一简单的阐述及改良性分析。

关键词：太阳能；跟踪技术；领域分析

中图分类号：TB文献标识码：A文章编号：16723198（2013）16018401

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能作为理想的可再生能源受到了许多国家的重视。目前太阳能电池的种类不断增多、应用范围日益广阔、市场规模逐步扩大。实际上，要开发的不仅仅是太阳能电池板，更重要的是太阳能接收装置。在研究太阳能自动控制装置中，如何实现最简电路却精确控制是一基本要素，是接收效果的关键所在，在工作过程中应尽量让装置处于最佳位置，以提高太阳能电池板的接收效率；再者，如何实现在阴雨天下精确无误的跟踪太阳是一大难点，直接用光电传感器是很难实现这一功能的，第三如何避免小因素的影响是另一个难点，光电传感器均会受到这类影响，现有太阳能跟踪系统均未曾考虑小因素影响。

由于太阳能存在着光照方向和强度随时间不断变化的问题，这就对太阳能的收集和利用装置提出了极高的要求。目前很多太阳能电池板阵列均采用固定式安装，不能充分利用太阳能资源，发电效率低下。而现有的自动控制装置均存在系统结构复杂，难以调试，可维护性差，极大程度地提高了系统成本，特别是对我国牧区广袤严寒、地形多样、居住分散，所以太阳能推广价高且维护困难；又由于一年四季、早晚和中午环境光和阳光的强弱变化范围都很大，而上述控制器难以实现四季全天候跟踪太阳。

因此如设计一款结构简单、使用寿命长、调试方便简单、成本低、稳定性好、可靠性高、易于维护、耐气候性好的太阳能跟踪装置，使其四季全天候跟踪太阳，具有极其重要的意义。现就此提供一些个人的想法和改良方案。

改良目标：

（1）实现最大效率地接收太阳能；

（2）实现装置普遍适应性；

（3）实现最简电路精确控制理念。

方案分析：

（1）晴天下接收装置的改良分析。

目前国内太阳能光伏发电装置的太阳能电池板主要是采用面朝南方固定式安装的，缺乏智能装置，很难实现高效率的发电，很难推广生产。故可在其输入端的两组光敏传感器分别由两只光敏电阻串联交叉组合而成。每一组两只光敏电阻中的一只为比较器的上偏置电阻，另一只为下偏置电阻；一只检测太阳光照，另一只则检测环境光照，送至比较器输入端的比较电平始终为两者光照之差，当单片机接收到的信号有差额时，就控制两个步进电机对电池板进行转向控制，进而能使太阳能接收装置四季全天候跟踪太阳。

（2）阴雨天下接收装置的改良分析。

目前国内有根据时角坐标系太阳运动规律设计的极轴式太阳全跟踪系统，此设计与阴雨天无关，但在晴天时控制不精确，为了改善装置使之既能在晴天精确工作又能在阴雨天精确工作，可拟开发一种具有天文跟踪模式的系统，当外界光强度在设定的某个范围内时，系统将开启天文跟踪模式，以确保系统在阴天时也能正常工作。

（3）小因素干扰下接收装置的改良分析。

目前国内外还没有那个装置考虑过在小因素影响下系统的运行，小因素会对系统产生干扰，如当有一片云飘过时，由于接收器接收到的光强不同，系统会发生偏转，而白云飘过时，系统也会做出响应而产生偏转，这样造成了电能的浪费，针对这个缺点，可拟设计一温度控制系统，通过算法，避免小因素的干扰，实现系统抗扰动的功能。

方法分析：

（1）在系统中建立实时太阳定位模型。

分析太阳的运动规律可以发现：太阳的运动与太阳的高度角有关。太阳高度角是太阳光线与地表水平面之间的最小夹角，在0°～90°之间变化。太阳高度角愈小，等量的太阳辐射能光束所散布的面积愈大，地表单位面积上所获得太阳辐射能就愈少。太阳高度角随时间、地点而不同。地球上任意纬度，一年中任意一天中任意时刻的太阳高度角由下式计算。

sinH=sinδ×sinβ+cosδ×cosβ×cosβ

式中，β为观测点的地理纬度，赤纬角δ和时角ω。

其中赤纬角为太阳直射光线与赤道平面之间的夹角，可由Cooper（1969）的近似计算公式求得：

δ=23.45×sin[360×（284+n）/365]

式中，δ—赤纬角，n—积日，自1月1日算起的天数。

在一天当中，太阳赤纬角变化很小，位置变化主要由地球自转引起。一天当中随时间变化引起的太阳位置的变化可由时角ω表示，太阳在正午时为0°，每小时变化15°，上午为正，下午为负。因此有：

ω=（12-T）×15

式中，T—当地时间。

（2）设计抗小因素干扰算法。

分析小因素的问题，经测试，太阳能电池板上的温度变化不大，因此，利用这一特点，可开发一种温控系统连接单片机，进行编程控制，当温度变化小而又有光强有改变时，单片机会滤过这一信息，从而实现抗小因素功能。

参考文献

[1] 王志峰.抛物跟踪式太阳高温集热器的研究[J].太阳能报，2000.

[2] 张迎胜，唐忆春，杨波.一种新型的极轴式自动跟踪装置[J].太阳能学报，1994.

[3] 窦伟，许洪华，李晶.跟踪式光伏发电系统研究[J].太阳能学报，2007.