一种新型自动跟踪控制系统的设计与实现

摘要：为了提高光伏发电的发电效率，降低发电成本，使用全新设计的传感器，设计了一种光伏自动跟踪控制系统。该系统所使用的传感器仅为四个光敏元件，几乎零成本。文中详细阐述了传感器的结构和工作原理、控制系统的设计以及系统控制的软件实现。试验结果证明，该系统能实现全天候全方位检测并迅速追踪到太阳的位置，有效的提高了跟踪系统的精确性。

关键词：自动跟踪；光电传感器；光伏电池；单片机

中图分类号：TM615 文献标识码：A

0 引言

目前，光伏跟踪系统存在很大弊端，不利于其系统的推广及应用。本论文介绍了一种全新的双轴跟踪系统，其中传感器采用了一种全新的结构，可以实现全天候全方位跟踪，使最大跟踪角度扩大到水平360°，垂直180°，这是太阳方位角与太阳能电池板的极限方位角。

1 工作原理

1.1 传感器的结构和原理

本系统所设计的传感器结构如图1所示，传感器安装在太阳能电池板的顶面，在传感器的前后左右四个方向分别安装有四个光敏元件，每两两平行背靠背放置构成一组，分别排列成X轴、Y轴两个方向。X方向上的两个光敏元件分别为X1、X2，Y方向上的两个光敏元件分别为Y1、Y2。

当太阳光垂直照射太阳能电池板的时候，传感器上四个光敏元件接收的光照一样，故而输出信号一致。但当入射光线发生偏移时，由于魔方方块的遮挡，分别在X轴、Y轴方向两个成对光敏元件输出就会有偏差，根据偏差旋转太阳能电池板就可以找到太阳的位置，使太阳能电池板正对太阳。

当电池板旋转过程中，传感器接收的光强信号也在随时改变，通过程序控制，结合当前检测到的光强信号和旋转机构的动作，就可以构成闭环控制，达到精确跟踪的目的。

1.2 双轴跟踪系统的原理

如图2所示，双轴跟踪控制系统通过传感器获得太阳光强信号，输入微处理器计算当前太阳的位置，并控制跟踪支架上水平和垂直两个方向电机的旋转，直至电池板正对太阳，然后等待下一次调整。两次跟踪调整之间的间隔可以有两种方法供选择：一是定时调整，即等待一定时间后再次调整；一是误差角度控制，误差角为电池板法线方向与当前太阳方向的夹角，当误差角度大于设定误差时开始启动跟踪。

2、设计实现

基于以上工作原理，运放使用轨到轨运算放大器LM6144，增大信号输入范围。AD转换芯片选用8通道16位精度串行AD芯片ADS8345N。由于微处理器对芯片的处理速度要求并不是太高，故选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，选用12864液晶显示当前信息。

系统上电后首先采集光强信号，计算太阳位置，当太阳偏差角在允许范围内时，进入定时程序，等待下一次采样；当太阳偏差角大于设定偏差时，单片机输出控制信号，控制水平旋转电机和垂直旋转电机旋转到指定位置，再次进行AD采样确认是否到达指定位置，以达到闭环控制的目的。

3、结论

经试验验证，该双轴跟踪控制系统以其独特的传感器设计和软件闭环控制，在双轴跟踪运行中表现出了优良的成绩。而其结构简单、近似零成本的优势具有很强的实用性。

参考文献

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作者简介

闫晓磊（1983-），男，河北保定人，学士，主要从事测控技术研究