太阳能跟随器在物联网中的应用

引言

光伏发电技术是一种可再生能源技术，而光伏发电太阳能电池板的光电转换效率是人们一直关注的话题。本文以当前广泛研究的光伏发电技术在沼光一体化系统中的应用为对象,旨在研制一种构造简单、成本低、精度高、实用性强的太阳能跟随器，用以提高系统中原有太阳能电池板的太阳能转换效率。

1太阳能跟随器在系统中的作用

沼光一体化供电系统的结构如图1所示，主要包括沼气池发电单元、太阳能发电单元、24V直流蓄电池供电单元和物联网通信接口及主控单元等四个部分叫其中，太阳能发电单元的工作主要由光电转换装置即太阳能电池帆板完成，该部分配装了太阳能电池帆板的方位角和俯仰角控制装置，即太阳能跟随控制结构，配以本文所述的太阳能跟随器，从而在原有的基础上提高了该单元的光电转换效率。

2太阳能跟随器的设计

2.1太阳能跟随器的发展现状

现在用于太阳能跟随的装置种类比较多，按照其工作原理的不同，太阳能跟随器主要分为压差式太阳能跟随器、控

放式太阳能跟随器、时钟式跟随器和比较控制式太阳能跟随器等。

2.1.1压差式太阳能跟随器

压差式跟随器主要设计为密封方形容器，当入射太阳能发生偏斜时，密闭容器侧面受光面积不同，会产生压力差,在压力的作用下，使跟随器重新对准太阳。该类型跟随器精度较低，且受温度影响比较大。

2.1.2控放式太阳能跟随器

控放式太阳能跟随器类似流沙计时装置，是在太阳能接收器的西侧放置一重物，作为在阳光接收器向西的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳能接收器向西随着时间做偏转运动。很明显该装置精度很低，且只能控制一个角度，局限性很大。

2.1.3时钟式跟随器

时钟式跟随器采用定时法，由电控系统根据时间来控制装置的俯仰角度，控制精度较高。但是，由于电控系统的时钟误差会累积并不断增大，加上白昼时长等因素的影响，系统的跟随精度会下降，因而需要定期调整，操作不够便捷。

2.1.4比较控制式太阳能跟随器

利用光敏电阻在光照射时阻值发生变化的原理，将四个完全相同的光敏电阻分别放置于太阳能接收器的四个方向上。装置跟随驱动电动机转动，保证东西两个光敏电阻上的光照强度相同即可完成跟随。该装置精度较好，电路简单，但是不能适应自然界中光线的变化，实际跟随效果不理想。

2.2太阳能跟随系统的结构设计

本系统将太阳能电池板的跟随控制分为方位角和俯仰角两个测控单元。又考虑到系统采用的电池板及支架重量和刮风天气等因素的影响，本系统的电池板方位角控制采用大功率三相步进电机驱动，而俯仰角则采用两项交流液压泵控制驱动。系统俯仰角及方位角的控制结构如图2所示。

2.3系统跟随装置设计原理

图3所示是一个太阳跟随装置的原理示意图。该太阳能跟随装置设计为一个墨黑色方形盒子，顶部正中心开一小孔，小盒子内有两个环形排列的16个光敏电阻，其中心也放有一只光敏电阻，共计17只光敏电阻。系统电控单元通过多路复用AD转换的形式可以获取每个光敏电阻上的光强度，然后对比各电阻上的光强度，从而控制器可以进行响应的控制。

系统工作时，盒子上表面与太阳能电池板放置并保持平行，面向南方摆出约60°的仰角。在跟随太阳能的位置时，电池板和太阳的初始状态可能如图3(a)所示，太阳能穿过盒子上表面中心的小孔后照射在外环侧排列的光敏电阻上。系统电控单元将测得该电阻上及附近电阻受光强较大，通过比较和判断，该系统将逐步驱动系统的俯仰角和方位角做出调整,最终达到如图3(b)中所示的位置，从而达到电池板始终保持与太阳能垂直的效果，即实现了太阳能跟随的目的。

图3太阳跟随装置原理示意图

基于以上原理，本系统的太阳能跟随装置完全可以避免寒暑季节、气温、风速风向等外界因素的影响，只要是有太阳的天气，都能够精确地找寻到太阳的位置。

2.4太阳能跟随系统主控电路设计

通过系统结构和设计原理分析，该装置需要测量17个AD量，并控制可以驱动大扭矩步进电机的驱动器及液压泵电磁阀。一般的主控芯片都没有多达17个的AD量采集接口，所以系统选择两个8路单端模拟量多路复用开关芯片MPC508,并通过STC12C5A60S2实现电路的驱动控制功能等。系统电路设计原理框图如图4所示。

2.4.1方位角跟随机构

系统方位角步进电机选用三相步进电机3M2060，额定工作电压范围80～220V，可以直接接到沼光一体化系统的沼气发电输出上，其工作力矩大，定位精度高。主控制芯片的三个I/O管脚分别连接三相电机驱动器2M2060的使能、方向、和驱动信号接线端，从而实现对太阳跟随器方位角的调整。而通过PB3控制固态继电器MGR-30323810Z的通断可控制步进电机的工作，图5所示为方位角跟随控制电路原理框图。

2.4.2俯仰角跟随机构

该机构通过交流液压泵实现太阳能跟随器系统的俯仰角控制功能，图6所示为系统俯仰角跟随控制电路原理框图。通过控制固态继电器的通断，可以驱动液压泵的正反转，进而控制俯仰角的变化。其中，交流电源跟方位角供电电源一样，均由沼光一体化系统自发电供应。

2.4.3太阳能跟随器主控机构

图7所示为太阳能跟随器主控制器的PCB实物正面部分，可见该图包括光敏电阻阵列、方位角驱动接口、俯仰角驱动接口，其他功能电路略。

3太阳能跟随器在互联网中的应用

首先，沼光一体化系统是基于物联网技术完成的，系统设计包括了有线通信及GSM远程控制测量反馈功能，对于解决偏远山区或小型手工业工厂的供电问题具有深远意义。

系统安装时，太阳能跟随器面向正南方放置。在晴天有太阳时，跟随器本身可以通过智能判断将太阳能电池板转向正对着太阳的位置,系统响应迅速且精度很高。在阴雨及黑夜时,系统的远程测控能通过有线互联网或无线GSM网络将当前的时间信息发送给太阳能跟随单元，该单元可根据此信息做出俯仰角和方位角的大致调整，从而在保证系统工作可靠性的情况下，提高太阳能跟随的准确度和太阳能电池板的光电转换效率。

此外，物联网技术在沼光一体化系统中不仅能远程测量和反馈系统各单元的电压、工作状态、输出端电压电流值、太阳方位等信息，还能够控制系统发电单元选择启动、停止等动作，从而使得系统的工作性能更加可靠，操作更加简单、便捷和高效。

4结语

太阳能跟随器是沼光一体化智能发电测控系统中不可缺少的一部分，它将比较控制式跟随器和定时式跟随器有效结合在一起，分别利用了光敏电阻阵列和物联网技术，原理简单,成本低廉，适于大范围推广。经实际验证，本系统现有的工作方式很大程度上提高了太阳能跟随系统的可靠性和太阳能发电的转换效率，为进一步推广应用沼光一体化发电技术奠定了良好的基础。

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