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太阳能自动跟踪器系统设计

摘要：人类正面临着石油和煤炭等矿物燃料枯竭的严重威胁，太阳能作为一

种新型能源具有储量无限、普遍存在、利用清洁、使用经济等优点。但是太阳能

又存在着低密度间歇性空间分布不断变化的缺点，这就使目前的一系列太阳能设

备对太阳能的利用率不高，太阳能自动跟踪装置解决了太阳能利用率不高的问题。

采用光线自动跟踪的方式，使太阳能电池板的朝向始终精确跟随太阳位置的变化，

保持太阳能电池板表面与太阳光垂直，这样会大大提高发电效率。本文主要介绍

太阳能跟踪控制系统的设计,该控制系统具有结构简单、稳定性好、精度高的特

点。

关键词：太阳能；自动跟踪；能源；自动化；光伏发电

1系统总体结构

太阳能自动跟踪装置由四象限光电探测器、照度传感器、方位角跟踪机构、

高度角跟踪机构和自动控制装置组成。方位角跟踪机构由电源、方位角传感器、

放大器、执行器组成。执行器由步进电机和传动齿轮组成。方位角传感器由外壳

与安装在外壳内的一对光电二极管组成。高度角跟踪机构由高度角传感器、放大

器、执行器组成。执行器包括电机和传动齿条。高度角传感器的一对光电二极管

与方位角传感器和照度传感器的光电二极管安装在一个传感器壳内。控制单元由

运算放大器、晶体管和继电器组成，并与照度传感器、方位角和高度角传感驱动

电机连接。（见图1）

2太阳能自动跟踪器工作原理

太阳能自动跟踪装置采用四象限光电探测器，该器件实际由四个光电探测器

构成，每个探测器一个象限，器件由于象限化，当太阳光辐射到器件各象限的辐

射通量相等时,各象限输出的光电流相等。而当光线发生偏移时,象限辐射量的变

化将引起各象限输出光电流的变化,由此可测出太阳的方位并实现跟踪。跟踪方

式采用光电跟踪与太阳视日运动轨迹跟踪相结合,可加强系统的稳定性，步骤如

下：

步骤1通过太阳视日运动轨迹跟踪,将系统带入一个预知的足够小的范围内,再

启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。

步骤2开机后光电检测电路检测白天还是黑夜。当检测为黑夜时系统停止

运行;若检测为白天,系统进行初始化。

步骤3初始化完成后进入视日运动轨迹跟踪,使其到达光电跟踪的视场范围

内,再根据光电二极管的检测结果启动光电跟踪或视日运动轨迹跟踪。该跟踪系

统晴天时按光电检测跟踪方式跟踪;阴天时系统自动转入视日运动轨迹跟踪方式

继续跟踪;当阴天过后出现晴天时,系统又自动转入光电跟踪模式跟踪。这两种跟

踪方式相互补充,提高了太阳跟踪器的精度。由于四象限探测器暗电流小、线性

度高、响应时间快,因此与用光电池跟踪器相比具有跟踪精度高、响应时间快、

不需进行中心点标定等优点,完全实现了光电跟踪。

3光电探测器

本

文采用的是四象限光电探测器（如下图所示），它的工作原理

是目标光信号经光学系统后在四象限光电探测器上成像，一般

将四象限光电探测器置于光学系统焦平面上或稍离开焦平面。

当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号

幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上

（也就知道了目标的方位）。在各个象限分别产生的光电流，经前置放大器放大

后传送至信号处理模块。该处理模块内包含4路AD转换器及一片单片机，4路光

信号在MCU的控制下，经过AD转换成为数字信号后，从USB接口传输至计算机

处理。四象限光电探测器用来检测太阳的方位角和高度角，只要太阳光线与太阳

能集能器的开口平面不是90°，传感器就输出偏差信号。若在四象限光电探测器

前面加上光学调制盘，则还可以求出像点偏离四象限光电探测器中心的距离或θ

角来。从而让太阳能自动跟踪器对太阳光进行自动跟踪。照度传感器是用来检测

太阳的辐照强度，当太阳的辐照度低于或高于工作照度时就输出关机或开机信号。

如果太阳的辐照强度低于工作照度，则控制单元不工作，放大器和执行器的工作

电源不接通,执行器不工作;当太阳辐照强度达到工作照度时，控制单元开始工作，

执行器启动执行。

4机械部分设计

机械结构主要包括步进电机、底座、转轴、齿轮和齿圈等。当太阳光线发生偏离

时，控制部分发出控制信号驱动步进电机1带动齿轮转动，齿轮带动大齿轮和转

轴转动，实现水平方向跟踪;同时控制信号驱动步进电机2带动丝杆转动，丝杆

和螺母带动太阳能板实现垂