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基于Arduino单片机的太阳能目标追踪系统设计

陈沛宇;欧阳华兵;何克劲;胡三;钱立松;孟润心

【期刊名称】《《上海电机学院学报》》

【年(卷),期】2019(022)005

【总页数】7页(P255-261)

【关键词】太阳能目标追踪;Arduino单片机;太阳能电池支架;双轴追光

【作者】陈沛宇;欧阳华兵;何克劲;胡三;钱立松;孟润心

【作者单位】上海电机学院机械学院上海201306

【正文语种】中文

【中图分类】TP23

太阳能作为一种新型清洁能源,取之不尽,用之不竭。太阳能光伏发电也将成为未

来新能源开发与利用的重要方式之一[1]。由于太阳光强会随着日照时间发生变化,

但在实际应用中太阳能电池板常常采用固定式安装,其角度无法跟随太阳光强进行

调节,大大降低了太阳能的利用效率。而采用太阳能跟踪技术,可有效提升电池板

的发电效率,研究表明:在相同的太阳能发电系统中,自动跟踪太阳能系统比传统

固定式系统的发电效率可以提高将近30%[2]。因此,如何提高太阳能的利用效率,

设计出一种自动且高效的追踪太阳能系统是目前太阳能光伏发电系统中亟待解决的

难题之一[3]。

目前,针对太阳能追踪技术,国内外学者做了大量的研究,主要有视日运动轨迹追

踪法和光电传感器追踪法[2,4]。视日运动轨迹追踪法根据太阳的实际运动轨迹按

照预定程序调整追踪装置,按其所追踪太阳方位角和高度角不同,可划分为单轴追

踪和双轴追踪两种方式,前者指追踪太阳方位角,而双轴追踪同时追踪方位角和高

度角[3],该方法能能够根据太阳实际运行情况实时追踪,但在追踪过程中容易产

生累积误差且不能自动消除,具有精度不高的特点。光电传感器追踪法则直接利用

光电传感器检测太阳光强度,通过控制系统,驱动执行机构使得追踪装置重新对准

太阳光,此方法具有灵敏度高、控制器简单等特点,其不足在于受天气影响较大,

但在阴雨天气无法实现太阳光的追踪[2,4]。

为此,本文在已有太阳能目标追踪系统理论基础上,针对如何提高太阳能追光效率

的问题,采用光电传感器与双轴追踪相结合方式,构建四点追光模块,通过映射法

提取光线强度数据,基于ArduinoMega单片机设计了一款太阳能双轴自动追踪

系统。通过试验验证了该系统的正确性和有效性,能够有效提高太阳能的利用效率。

1系统总体方案设计

1.1太阳能追光系统结构

太阳能双轴自动追踪系统主要有单片机、传感器、步进电动机等组成[5],其系统

结构框图如图1所示。为了保证传感器检测信号的有效性,采用基于笛卡尔坐标

系模式将4个光敏电阻传感器分布在4个象限内,当太阳光线照射到传感器上时,

传感器把信号送到前置放大器,经由电压转换后输入单片机,单片机按照一定的算

法,经处理计算后将信号传递给电动机,实现太阳能追踪装置的水平方向和竖直方

向调整,最终达到电池板对太阳目标的实时追踪。

图1太阳能追光系统总体结构

1.2双轴追光装置设计

为充分提高追光效率,追光装置采用双轴追踪设计方式,其机械结构主要包括竖直

轴转向机构和水平轴转向机构两大部分,其中竖直轴转向机构通过行星齿轮减速电

动机驱动由一对角接触球轴承支撑的竖直轴转台进行转动,如图2(a)所示。水平

轴转向机构安装在竖直轴转向机构的转台之上,它采用曲柄摇杆机构,工作过程中

蜗轮蜗杆减速电动机驱动曲柄作周转运动,再由连杆将曲柄与作为摇杆的太阳能电

池框架相连,如图2(b)所示,其优点在于摇杆的摆动角度可控制在一定范围内以

避免太阳能电池框架因系统失误导致过度旋转而损毁。

图2太阳能双轴追光装置

连杆尺寸设计采用了CAD技术,根据曲柄摇杆机构极限位置公式,结合

Solidworks软件尺寸驱动原理[6-7],将曲柄旋转中心、摇杆旋转中心及其另一端

活动铰链的相对位置按实际装配尺寸画出并加以尺寸和位置约束,再将表示太阳能

电池框架的摇杆分别旋转至理想的最大、最小角度位置后分别测量摇杆活动铰链到

曲柄旋转中心距离,经曲柄摇杆机构极限位置计算公式计算后即可获得出曲柄长度

和连杆长度。最终搭建的太阳能目标追踪系统实物如图3所示。

图3太阳能目标追踪系统实物图

1.3追光模块方案的改进

为了有效提高太阳能追踪系统的能源利用率,设计合理的追光模式是其关键环节之

一。目前常用的追光方法主要有四点追光法和五点追光法[8-9]。五点追光法将位

于原点处与其他位于4个象限的光敏电阻传感器检测数据分别计算得出太阳光方

位,实现追光。而四点追光法则去掉原点处光敏电

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