光敏电阻太阳跟踪系统的原理及构建方法

太阳能光伏发电系统(Solar power system)是一种利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统。由于太阳的光照角度每时每刻都在变化，所以导致传统的光伏发电系统采光率低从而发电效率低。目前市场上通用的太阳能发电系统是计算一年中太阳所在的角度，其原理是根据安放地点的经纬度等信息，进行整合计算确定固定的光线接收位置，但同时也存在一旦安装便不易装拆或移动的缺点。每次拆装或移动之后就必须重新调整各个参数和设定数据，因此此类传统太阳能发电系统对后续安装的原理、电路和技术等有着较高的要求。为了弥补上述的缺陷，本文介绍了一种跟踪精度高，结构简单，控制可靠的太阳跟踪系统，现主要采用跟踪太阳位置的方式最大限度地获得输出功率，有效地提高了太阳能的利用效率。

1.什么是太阳跟踪系统

太阳能跟踪系统通过移动面板以全天跟随太阳，从而优化面板接收太阳辐射的角度，从而最大限度地提高太阳能系统的发电量。太阳能跟踪器通常用于地面安装的太阳能电池板和大型独立太阳能装置，如太阳能树。它们通常不用于大多数住宅太阳能项目，但在公用事业规模和商业/工业太阳能市场中占有一席之地。当太阳能电池板暴露在阳光下时，太阳光线与太阳能电池板表面相遇的角度(称为“入射角”)决定了电池板将入射光转化为电能的能力。入射角越窄，光伏面板可以产生的能量就越多。太阳能跟踪器通过调整面板的方向使光线垂直于它们的表面照射它们，从而帮助最小化这个角度。有两种类型的太阳能跟踪系统：单轴和双轴。

一个单轴跟踪器上移动运动的一个轴，通常与南北排列的面板。这些设置允许您的面板从东到西呈弧形，并在太阳升起和落下时跟踪太阳。

一个双轴跟踪器可以让您的面板上的两个轴移动，对准这两个南北和东西。这种类型的系统旨在全年最大限度地收集太阳能。除了正常的日常运动外，它还可以跟踪太阳高度的季节性变化。

通常，双轴跟踪器(由AllEarthRenewables等公司制造)对于太阳能装置来说是一个不太受欢迎的选择，即使在大型公用事业规模项目中也是如此。双轴跟踪器可能适用于某些商业地产的情况，由于用于安装太阳能电池板的商业屋顶空间有限，双轴跟踪器可以比典型的静态面板产生高达45%的能量，可以帮助企业在狭小的空间内产生足够的电力来为他们的运营提供动力。公用事业规模的安装通常不需要双轴设置，因为它们位于大片土地上，没有商业屋顶空间的狭小空间限制。

2.基于光敏电阻的太阳跟踪控制系统设计原理

2.1系统的总体构成

本系统由检测电路、信号放大电路、步进电机驱动电路与核心控制电路等部分组成。各组成部分有序合理，符合电路、机械等设计的基本原则，如图1所示。

图1 系统的总体构成图

2.2系统的硬件设计

利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，在一块电池板东西方向边沿处的下方放置两个属性完全相同的光敏电阻。该设计性能稳定、结构合理、跟踪准确、方便易用。结构设置如图2所示。

图2 结构设置图

2.3系统的软件设计

光敏电阻光强比较法，该比较法中用的是光电转换电路。首先太阳光射入光电转换器，光电转换器将光信号转换成模拟电信号，随后放大器将此模拟电信号放大送入单片机，然后单片机根据采集得到的信号进行分析比较，进行A/D转换将其转换成数字信号。随之输出控制信号产生步进电动机的转动与转向动作，从而使太阳能电池面板始终垂直于入射光线，进而最终实现太阳能的高利用效率。

根据光敏电阻在光照强度发生变化时其阻值随之发生变化的原理，在一块电池板东西方向边沿处的下方放置两个材料完全相同的光敏电阻。当太阳光线与太阳能电池板成直角时，因此也就保证了两个属性完全相同光敏电阻接收到的光强度相同，由此这两个光敏电阻的阻值也相同，此时由单片机控制的核心控制系统发出信号使电动机不转动。当太阳光线与太阳能电池板垂直方向出现一定夹角时，此时两块光敏电阻接收的太阳光线量开始发生变化，光敏电阻将此光线接受不平衡信号反馈给单片机控制系统，因此控制系统发出信号使电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同，经过不断感应和调节，最终达到时刻追踪太阳光线的效果，在此称之为光敏电阻光强比较法。

电路原理如图3所示，其优点在于能够较为容易地实现电路设计并精确地控制系统。

图3 设计电路原理图

3.如何构建便携式太阳能跟踪器?

太阳能跟踪器是一种用于使太阳能电池板向阳光方向倾斜的装置。太阳能跟踪器一整天都在跟踪太阳，并确保太阳能电池板尽可能多地捕获或收集能量。他们的唯一目的只是为了最大化产出。利用太阳能电池板和线性执行器等正确的工具，可以创建太阳能跟踪器并确保太阳能电池板捕获最大量的阳光。

在制作太阳能跟踪系统时，使用12v线性执行器确实是可取且有益的。12v执行器通常用于太阳能跟踪器，因为它们有助于确保或增强太阳能电池板的效率。因此，在为太阳能跟踪系统寻找执行器时，请始终考虑12v太阳能跟踪器执行器。12v执行器的主要优点之一是它以更高的精度实现所需的运动。因此，无论太阳的位置如何，这些执行器都将确保太阳能电池板在可能的最佳位置倾斜或倾斜，以提高其捕获阳光的效率。

3.1控制系统

该线性致动器由控制Arduino的微控制器使用黄蜂马达控制器，它通过光敏电阻的读数来确定面板的哪一侧正在接收光线并调整太阳能电池板的位置，直到光敏电阻的读数相当相等。这确保太阳能电池板直接指向太阳并产生最大功率。

图4 太阳追踪器

控制系统所需器件：

1xPA-14迷你线性执行器–6英寸–150磅力

1xSungoldSGM-90W-1890瓦太阳能电池板

1xGenasunGV-1012VDC太阳能电池板充电控制器

1个Arduino微型PLC

1x黄蜂电机控制器

2x10kOhm光敏电阻和2x7kOhm电阻器

1x12VDC锂可充电电池

1x点烟器连接器，用于12V配件(可选)

图5 控制系统器件

3.2电机控制器

对于此太阳能跟踪器的控制部分，将使用ArduinoMicro和WASP电机控制器。Wasp电机控制器由ArduinoMicro使用脉宽调制控制。然后，Wasp从12V电池获取电源以伸缩PA-14迷你线性执行器。我们选择了150lbs力执行器，因为与拥有的负载的35lbs力版本相比，它消耗的电流更少。

图6 电机控制器

3.3光传感器

为了检测来自太阳的光强度，我们使用了一个10k欧姆的光敏电阻。光敏电阻的作用类似于受光控制的可变电阻器。电阻会随着光强度的增加而降低。将需要两个传感器，一个在面板的东侧，另一个在西侧，以便能够确定太阳的位置。

串联一个10kohm光敏电阻和一个7kOhm电阻，并从ArduinoMicro提供5V信号。使用ArduinoMicro上的模拟输入读取7kOhm电阻器上的电压读数。由于电路的行为与分压器完全一样，因此7k欧姆电阻的模拟读数将随着光强度的增加而增加。请注意，光敏电阻非常敏感，可能需要限制从太阳接收的光。

图7 光传感器

3.4伺服库

所述Servo.h库使Arduino的微通过单线命令以控制RC伺服电机如下：

myservo。写微秒(1000);//执行器全速向后(1000)

myservo.写微秒(1520);//执行器停止(1520)

myservo.写微秒(2000);//执行器全速前进(2000)

3.5单轴跟踪器硬件

有无数种方法可以创建单轴太阳能跟踪器。最简单的方法是使用PVC管和PVC角接头构建框架。最重要的部分是跟踪能力，这可以通过使用简单的PA-14迷你线性执行器和BRK-14支架来实现。选择三脚架框架并使用3D打印部件来创建接头和安装座。这使我们能够创建一个非常便携的太阳能跟踪器框架，具有最佳的倾斜度和跟踪能力。

3/4"铜管

1x3/4"铜管端盖

3x3/4"齿轮夹

3/4"PVC管

1x1齿轮夹

5xM6螺栓、螺母和垫圈

各种3D打印支架

2x执行器安装销(可在BRK-14套件中找到)

1xPA-14微型线性执行器

图8 小型线性执行器

3.6最佳倾斜度

除了增加跟踪太阳的能力外，另一种提高太阳能电池板效率的方法是根据您的位置调整固定倾斜度。最佳倾斜度取决于您所在位置的纬度，可参考下方侧面透视图，计算跟踪器的倾斜度。可以使用以下等式计算长度B：

图9 侧面透视图

3.7详细步骤

计算实现最佳倾斜所需的长度

收集所需的所有组件

通过钻孔将支架连接到太阳能电池板并用适当的螺栓固定。

将铜管和PVC管切割成一定长度

对铜管和PVC管进行油漆和打磨

将支架连接到管道上并用齿轮夹固定

安装PA-14微型线性执行器并使用BRK-14执行器安装销固定

4.关于太阳跟踪系统的常见问题

4.1太阳能跟踪系统如何工作?

太阳能跟踪器根据太阳在天空中的位置调整太阳能电池板的朝向。...通过保持面板垂直于太阳，更多的阳光照射到太阳能电池板上，反射的光更少，吸收更多的能量。这种能量可以转化为电能。

4.2为什么太阳能跟踪器很重要?

太阳能跟踪器已成为太阳能光伏(PV)装置的重要组成部分。根据EnergySage的说法，它们跟踪太阳在天空中位置变化的能力可以显着提高光伏系统的能量增益，在某些情况下可提高25%到35%。

4.3太阳跟踪需要哪个系统?

作为太阳能聚光装置，PTC需要太阳能跟踪系统根据天空中从日出到日落的变化的明显太阳位置来修改它们的位置。这种太阳能集热器的运动只有一个自由度，即轴上旋转。

4.4谁发明了太阳跟踪系统?

Array由首席执行官RonCorio于1989年在阿尔伯克基创立，旨在寻求当时新兴的太阳能行业提供的机会。早些时候，Corio和他的团队开发了一种创新的聚光光伏模块系统方法，可以最大限度地减少对昂贵硅的依赖。

4.5使用跟踪太阳能电池板的缺点是什么?

价格。太阳能跟踪器比固定式跟踪器略贵，因为它们的操作需要更复杂的技术和移动部件。根据项目的规模和位置，这通常大约增加0.08美元至0.10美元/瓦。

4.6太阳能跟踪系统使用哪种电机?

太阳能应用中使用的电机类型涵盖了所有领域。交流感应电机已用于早期的太阳能跟踪系统，因为它们可以直接从电网获取电力，但很难以大多数跟踪应用所需的低速控制交流电机。

结语

以上就是光敏电阻太阳跟踪系统原理及构建方法的介绍了。太阳能跟踪器一整天都在跟踪太阳，并确保太阳能电池板尽可能多地捕获或收集能量。他们的唯一目的只是为了最大化产出。利用太阳能电池板和线性执行器等正确的工具，可以创建太阳能跟踪器并确保太阳能电池板捕获最大量的阳光。该系统可以在各种需要太阳能发电系统的设备上安装，如火车、汽车、以及通讯应急车、特种军用汽车、军舰或轮船等，不论这些大型运输设备向何方行驶、如何调头、拐弯，智能太阳跟踪仪都能保证设备的要求跟踪部位正对太阳。

审核编辑：汤梓红