成都学院（成都大学）学士学位论文（设计）
太阳 H ?d
图2-4 太阳高度角与光线影子计算图
A H B a b c d
图2-5 影子长度和物体高度之间的关系
图 2-5 中，可以看出高度角和遮光物体的高度以及影子的长度之间的关系，古人就是利用影子特性来计时的[17-24]。从图2-2 中可以推导出跟踪角度精度，计算公式:
G?(90?acrcot0Hd) （2-3）
式中，G --跟踪精度；
H --遮光物体高度；
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a --太阳高度角；
d --影子长度。
例如遮光物体高度是 90mm,影子长度6mm,通过公式可以算出，G 约等于3.21 度。通过这个公式，可以根据所需要的跟踪精度要求，求出需要的遮光板参数，设计出需要的遮光板。在太阳能自动跟踪系统中，影子的长度是一个时间变量，把这个长度的变化测量出来，然后通过系统对太阳能电池板的角度调整调整影子的长度，使影子的长度趋近于零，这样就实现太阳能电池板对太阳的自动跟踪，跟踪精度应该控制在5 度以内，以保证跟踪的准确性和即时性。
实际上，影子内的光照强度和光线照射的光照强度是有很大区别的，根据这点特性我们可以利用传感器将光线与影子偏移控制在一定范围内也就是控制传感器与太阳光线的夹角。实现精确自动跟踪的目的。
2.4.3 太阳跟踪方案的确定
根据光影关系可以设计出很多种跟踪器，由于太阳能跟踪系统是空间结构的。所以传感器的设计必须是可以实现空间姿态的调整即水平转动角和太阳能电池板仰角调整。根据以上分析，可以设计一种简单的传感器方案达到上述要求，这种方案如图2-6 所示。
图2-6 四象限跟踪装置示意图
在这个方案中，如果太阳光线垂直于传感器平面那么我们自动跟踪结束。如果太阳光线不垂直于传感器平面，那么由于传感器遮光板的作用在传感器平面的不同象限内形成不同形状的光影。如果太阳自东向西运动，在图中是自1方向运动到2方面运动，1、2间的遮光板挡住光线在2象限中会形成光影，如果太阳光线从1到3方向移动，会在3象限产生光影，而且光影会随着光线偏移量的增加而变长。如果在太阳移动的时候调整传感器的角度使得光影的长度尽量在一个很小的范围内，那么我们就能实现太阳的自动跟踪。跟踪的精度与传感器的参数设置相关比如：遮光板的高度、传感器与
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遮光板的距离。
同理，从图 2-6 中，如太阳沿图中1 和3 中间的遮光板右方从左向下移动时，当太阳光线处于1、2象限遮光板的下方时由于遮光板的作用会在1、3象限形成光影。如果系统能同时对三个象限的数据作处理那么系统就能同时对电池板的水平角和仰角调整实现跟踪的目的。调整传感器的参数就可以实现系统的高精度跟踪。
通过上面的传感器方案，可以看出这个方案是比较各象限的光影位置，实现对太阳位置的跟踪，跟踪方式就是不停的比较各象限的光影位置和不断调整空间姿态。根据太阳在白天的运动轨迹，本设计的传感器方案在上面的基础上做了优化。每天太阳都是自东向西运动的轨迹，由于公转致使会出现南北方面夹角变化。因此，可以设计一个三象限的光影传感器，去对太阳进行跟踪，改进的方案设计如图2-7 所示。
图2-7 三象限优化跟踪装置示意图
由图 2-7 可以看出，太阳从东面升起，自东向西运动，在图中是自右向左运动，由于1、2 之间遮光板的作用，光线只照射在1 位置上，光线不能到达2 的位置，此时，调整传感器的水平角，直到光线能同时垂直照射在1 和2 上，此时，光线是和1、2 之间的遮光板平行的，垂直角调整结束。
当垂直角调整结束后，再去判断光线是否同时垂直照射在2 和3 上，可水以调整传感器的仰角。这样，先垂直后水平的调整，就完成了对太阳的跟踪。
由于外界因素导致太阳能电池板背面垂直于太阳光线，这时跟踪传感器三个象限的光照强度相同，所以不能对电池板姿态进行调整。为解决这个问题，在太阳能电池板背面安装一个与1、2、3
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象限特性相同的光敏二极管并定义为第4象限。当太阳能电池板背面垂直于太阳光线时，光线直射第4象限而在第1、2、3象限形成光影区，这时调整太阳能电池板转动180度，使跟踪系统能继续跟踪太阳位置，从而完善太阳能跟踪系统。
由于太阳移动缓慢，所以这个方案完全可以达到跟踪的要求。当人为原因移动了太阳能电池板位置时，系统也能及时对电池板空间姿态做出调整。这个系统使用器件少，不但节约成本而且系统电能消耗小更利于推广。
2.4.4 太阳光照强度的检测 （1）光通量与流明
光线所发出的光能是向所有方向辐射的，对于在单位时间里通过某一单位面积的光能，称为通过这一单位面积的辐射能通量。各色光的频率不同，在可见光频率范围内眼睛对各色光的感官也是不同的，即使不同颜色光的辐射能通量相等，在视觉上也会产生不同的明亮程度，在各色光中，黄、绿色光能激起最大的明亮感。如果用绿色光作标准，令它的光通量等于辐射能通量，则对其它色光来说，激起明亮感觉比绿色光为小，光通量也小于辐射能通量。光通量的单位是流明，也表示光的强度，是英文lumen 的音译，简写为lm。简而言之，流明就是光束照在物体表面的量。一只40W 的日光灯输出的光通量大约是2100 流明。
（2）光照度与勒克斯
光照度可使用照度计直接测量。光照度的单位是勒克斯，是英文LUX 的音译，也可简写为LX。当被光均匀照射的物体在1 平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1 勒克斯，（3）光强的检测
（3）光照强度的检测
光敏二级管管芯是一个具有光敏特征的PN 结，具有单向导电性。加上反向电压无光照时，有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时的内阻无穷大。当受到光照时,饱和反向漏电流增加形成光电流,它的大小接受光强度的变化而变化。这时光敏二极管的内阻非常小可以形成比较大的电流。因此，可以将光敏二极管接入电路中加上反向工作电压，当接受光照强度不同时在电路中也就产生了不同的电流强度，如果在电路中串接一个电阻，这时就可以引起电阻电压的变化。通过检测电阻电压的变化就可以检测出光强。
2.4.5 太阳能跟踪传感器的设计制作
由于光敏二级管的特性，它可以检测太阳的光照强度。光敏二极管放置在光线照射的区域和光线无法照射的光影区域，光敏二极管的内部特性会发生很大的变化，不同情况下的照度值如表2-1，由此我们可以用光敏二极管来检测太阳光的偏移量，然后调整系统空间姿态。
根据以上分析，本文设计了一个“3+1”象限式的太阳能跟踪传感器如图2-8 所示。在图2-8 中，传感器身用不透明的塑料板制成，挡住通过光板的光线。感光板的尺寸采用直径为 150mm 的圆板，图中大的遮光板采用直径为150mm 的半圆板，小遮光板采用直径为150mm 的四分之一圆板，这三者如图安装，它们之间安装要保持垂直。
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