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太阳能电池板自动跟踪系统的研究
作者：李翠萍 汪新浩
来源：《中国科技纵横》2015年第20期
【摘 要】随着世界对能源的需求量不断增加，我们仅仅以传统的能源来维持日益增长的能源需求是不够的，而如今包括太阳能在内的可再生资源将会越来越受到人们的重视。我国幅员辽阔，太阳能资源十分丰富，太阳能在新能源中具有很大的优势，因此研究和开发太阳能对环境保护和可持续发展有很深远的意义。本文研究一种太阳能电池板的自动跟踪系统，可以最大限度的利用光能、储备光能，及对环保能源开采和环境保护有重要的研究价值。 【关键词】太阳能 单轴自动跟踪 模糊控制 节能发电
随着石油、煤炭、天然气等化石能源的逐渐匮乏以及人类生存环境污染日趋严重，人类急需寻找可再生清洁新能源。太阳能因其普遍存在、储量无限、清洁、经济等优点，成为最具发展潜力的可再生清洁能源，而光伏发电是利用太阳能的重要方式之一。因此，研究太阳能电池板追日自动跟踪具有重要意义，它不仅能提高光伏发电效率，降低发电成本，还将进一步促进光伏发电产业的发展。
1 自动追踪系统原理及整体方案
本文论述的系统是一种单轴太阳能电池板自动跟踪追日系统，主要包括机械部分和控制部分。机械装置由电机驱动，可以使电池板水平方向角为0°- 180°，控制部分主要由单片机系统构成，单片机系统具有成本低，智能化程度高，扩展性强等优点，由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制。垂直方向角变化不大，可手动进行调整，使太阳能电池保持较大的发电功率。 1.1 追踪传感器模块分析
追踪传感器主要经由四颗特性相近光敏电阻构成，负责侦测东西南北四个方向的光源强 度，于各方向均有一个光敏电阻，并以45度角朝向光源处，并将该方向设置基座以将该方向以外的光线隔离，以达到快速判别太阳位置的广角式搜索。四个传感器分为两组，一组是两个光敏电阻做为东西向的传感器，用以比较东西向受光强度的差异。当东西向的传感器接受到的光源强度不一致时，系统会依据东西向两传感器输出电压得到信号，使用电压型模拟数字转换（A/D Converter）、IC（ADC0804）判读到的传感器输出电压数值的不同，判断该方向的受光较强，并且驱动步进电机朝向该方前进，当东西向传感器输出值相等时，则输出的差值为零、电机驱动电压亦为零，即追踪到太阳目前的位置。另一组的南北向传感器，则是相似的原理，用来追踪太阳在南北向的位置。 1.2 单片机控制模块分析
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本系统需要在东西、南北两个方向上对太阳光照射角进行跟踪，跟踪方式可由太阳照射规律进行设计。跟踪系统需要单片机通过对时间进行判断、比较和提取，再按照不同的时间控制步进电机使太阳能电池板进行相应的角度改变。
太阳能电池板与蓄电池之间需要控制器进行连接，以控制在不同的情况下蓄电池的充放电情况。如夜间、阴雨天等情况下太阳能电池板无法提供电能，此时即需要控制器阻止蓄电池向电池板放电。因此，在本系统中，控制器是必不可少的器件。 2 模糊控制算法在本系统中的应用 2.1 太阳能电池板模糊控制算法
太阳追踪装置的两个驱动电机虽然在角度的转动上能独立运作，没有耦合上的困扰，但是在转动惯量的问题上，无可避免的，一定会有非线性的现象存在（这是立体转动机构共有的问题）。因此，电机的闭回路控制必然是需要的。在转动惯量的控制上，虽然有非线性的现象存在，但是太阳追踪装置所要求的转动速度因为太阳移动缓慢的关系并不需要太快。所以，模糊控制法则足够用来控制电机的运作，可以使得系统的控制机制有很大的可调变性和快速反应能力。我们将采用模糊控制理论来做为电机驱动的控制基础。实现于硬件控制电路的实现，将使用硬件描述语言（VHDL、Verilog等）把控制程序加载Nios II微处理器中作为控制核心，再搭配传感器、译码器等，形成完整的控制回路，这样的安排可以使得系统发电量效能达到最佳。
2.2 模糊控制器算法的实现分析
本研究所设计控制器采用传感器接收光的强弱的测量值做为回授，经过一次次的修正，最后达到控制目的。光敏电阻的电阻值随著光强弱大小经由ADC转换所得到的分压电压值大小，由垂直（南北）及水平（东西）方向两轴的误差，模糊控制以这两组的误差分别作为模糊控制的输入。
整个模糊控制器的设计，大致上可分为五个步骤来进行设计：
步骤1. 首先，先定义输入变数、输出变数及语意上的变数，其中各语意变量分别为： 输入出变量的选择（本研究其中一轴选择输入变量为e，而输出变量则为u，定义所选择的1个语言变量分别为5个三角形归属函数。）
步骤2. 根据先前所定义的语意上变数，来建立输入归属函数。
步骤3. 建立模糊规则库是最重要的一部份，因为所有的状态都必须根据我们所定义的规则库的规则进行操作，所以制定一个好的规则库是相当重要的，若要顺利构建一个模糊规则
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库，在此采用5条模糊控制规则，此5条控制规则是以“if…then…”陈述的模糊控制规则来表示。
步骤4. 定义其模糊推论引擎，模糊推论的方法有许多种，且不同的模糊推论会得到不一样的推论结果，而本文在此是藉由Mamdani所提出的重心法（center of gravity or center ofarea），来作为解模糊化（Defuzzification）的工具，其主要原因为这种方法较为简单而且可靠度高。
步骤5. 最后一个步骤，是将模糊推论引擎所推算出的结果，在经由解模糊化的过程，转换为精确的数值。 3 结语
综上所述，太阳能电池板单轴自动跟踪系统对于充分利用太阳能这种可持续发展的新能源具有重要意义。通过使用控制精度较高的光敏电阻作为追踪传感器，并把输出电压信号送给单片机进行比较，进而利用模糊控制理论作为驱动步进电动机的理论基础，进而控制步进电动机改变电池板的方向，以其最大程度吸收太阳能，提高太阳能的利用率。 参考文献：
[1] 张强，吴红星，谢宗武.基于单片机的电机控制技术.中国电力出版社，2008. [2] 孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳自动跟踪器的研究.机械设计与制造，2005. [3] 郭廷玮，刘建民.太阳能的利用.北京：科学技术文献出版社，1987.