太阳能电池板自动跟踪系统设计
用时，如果使用聚光器，则聚光器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。
2.2.3 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响
图2.4a中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。图2.4b是温度不变时，不同日照强度下的光伏电池的特性曲线。
图2.4不同日照强度下的光伏特性
（a）光伏电池的伏安曲线（b）光伏电池的功率电压曲线
从上图曲线中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。光强从200-1000W/m2开路电压变化比较平稳。在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大，而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为0。而短路电流是随光强的增加而成正比的增加。
所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。对于一个给定的功率输出，电池的转换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径：可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本，但是聚光器对光照条件要求比较高，最主要是要求光线要近乎垂直地照射到太阳能电池板上。所以太阳能跟踪系统就显得十分有必要，而且该跟踪系统的精确度直接影响到发电效率。
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2.2.4 光伏电池的I-V和P-V特性曲线
光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的P-N结特性和电阻分散参数确定。对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率P，即P=VI。如图2.5所示。
图2.5光伏电池的I-V和P-V特性曲线
可以看出，此I-V曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第四章中将对此问题进行研究。在P-V特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟I-V曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。
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第3章 太阳能跟踪系统的控制目标与控制方案
3.1 控制方案选择
目前比较先进的程序跟踪方法是根据太阳轨迹算法的分析，太阳轨迹位置由观测点的地理位置和标准时间来确定。在应用中，全球定位系统(GPS)可为系统提供精度很高的地理经纬度和当地时间，控制系统则根据提供的地理、时间参数来确定即时的太阳位置，以保证系统的准确定位和跟踪的高准确性和高可靠性。但是上述方法是有一些缺点的，主要是程序的计算量太大，从而影响到响应的速度，而且对CPU要求很高。另一方面就是成本问题，GPS提供数据，成本会大大的提高，所以综合考虑整体运用通讯的方法将数据提前存储到存储器中，单片机只需从存储器中读取数据即可。跟踪系统具体参数如下图所示：
跟踪精度 最大跟踪角度 (方位角) 最大跟踪角度 (高度角) ±0.1° 光敏电阻型号 GL5516 光敏电阻工作-30°～ 环境温度 +70° 单片机 STC12C5A 夏天启动时间 冬天启动时间 - ±180° 6点 75° 亮电阻 5-10kΩ 0.5 1MΩ 8点 步进电机功率 120W 暗电阻 存储器 93LC66A 步进电机电压 DC24V 光敏电阻尺寸 5 mm
图3.1跟踪系统具体参数
减速器 PG120L3
该控制系统采用光时互补的控制方案，即以程序跟踪做为粗调，光电跟踪作为细调。其中程序跟踪的控制方案为：根据天亮时间，比如夏天的时候6点天亮，这样就要使程序定在6点的时候启动跟踪系统。而冬天的时候要等到8点才启动。
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天黑时方案同理，将系统关闭，夏天和冬天关闭的时间是不一样的。同时关闭系统之前将电池板从最西方调整到最东方等待下一天太阳的升起。当启动后采用30分钟调整一次，可以防止电机盲目转动又可以节省电机耗能。将程序的参数通过通讯存储到EEPROM中。程序的数据可以修改，使用灵活方便。可以自动调整误差，可以避免灰尘等其他因素照成的误差，即不受外界干扰。
光电跟踪作为程序跟踪的补充，对电池板位置进行精确的调整。设计光电跟踪时首先涉及到硬件，光电传感器用光敏电阻来设计，选用GL5516型号电阻。当乌云遮挡时根据光电传感器的光强信号可以自动停止光电跟踪。还有步进电机，采用DC24V，120W的步进电机适合驱动4×4m的电池板。PG120L3减速器减速比30:1可以将步进电机的每一步角度降得很低。可以满足0.1的精度要求。
3.2 控制方案设计
3.2.1 光敏电阻设计的传感器
图3.2 光电传感器镜筒图
θ为太阳入射光线与主光轴的夹角，d为光电传感器上的太阳像直径。根据几何光学原理可得：
光电传感器直径为25mm，可计算出光电池的检测范围为1.48°，太阳像直径约为3.8mm, 即当粗跟踪将传感器主光轴与太阳入射光线间的夹角调节至1.48°以内时，太阳像便能全部呈现在光传感器筒内电阻上。
由光敏传感器采集太阳与光伏电池板之间水平与垂直方向的位置偏差信号
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与光强信号，并反馈给数据处理器与控制器单片机，经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。直到太阳光线完全垂直照射电池板。其中电源的电取自太阳能电池板；光电传感器利用光敏电阻特性设计而成。如上图所示当A与D被遮挡这是A与B之间电阻值相差很大这样传感器就会产生电压差送入单片机处理经过数据的处理与放大，发出驱动信号，经过驱动电路控制步进电机的转动，经过减速机构缓慢调整角度。直到A与B没有电压差未止。C与D同理。当A,B与C,D都没有电压差时即阳光正对电池板和传感器镜桶时，光敏电阻E对不同的光强会有不同的电阻值，产生不同的电压信号给单片机处理，当乌云遮挡时，光强很弱，单片机就可以停止光电跟踪，避免了盲目跟踪。
3.2.2 跟踪控制系统整体原理框图
实时时钟
存储器单片机电脑步进电机及驱动电路
图3.3 跟踪控制系统整体原理框图
光电传感器系统整体框图如上图所示：其控制过程是视日运动轨迹跟踪与光电跟踪的结合方式。先从电脑中将确定地理位置信息的太阳高度角方位角的数表传入到存储器中该数表是高度角（方位角）随天数与小时数变化的二维变量。单片机从实时时钟中读出时间信息，从存储器中查数表，得出高度角与方位角发出驱动信号。这样程序法的初步定位完成了。光电传感器通过电池板的位置信号，得出信号差传入到单片机中发出驱动的信号，调整电机直到精确位置。
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