一种阳光角度测量装置的设计

侯雷鸣，张 栋

（长安大学工程机械学院，陕西 西安 710064）

太阳能作为一种新型清洁能源具有众多优点，但是太阳能又存在着利用率不高的缺点[1]。为了提高太阳能转换效率，往往在太阳能电池板的底部配置跟踪装置及驱动装置，跟踪装置及驱动装置在不同的时间段驱动太阳能电池板转动一定角度[2]。在转动过程中，转动角度往往不能准确测定，故需要一种能精确测定太阳能的最佳照射角度的装置和方法，使太阳能电池板发挥最佳效果[3]。

1 研究背景

现有关于太阳能照射角度测定的方案有“GPS定位”“四象限光电式”和“光敏元件控制器”等，而“GPS定位”不仅系统成本高而且角度调整不能随区域气象条件实际调整；一般的“四象限光电式”跟踪精度较低；“光敏元件控制”信号处理环节较多，误差较大[4]。

笔者利用太阳能电池板不同光照角度下产生电压不同的特点，设计一种成本低且控制环节少、精度高的太阳能照射角度测定装置。

2 设计理念概述

为了实现对太阳角度的测量，测量装置由互成角度的两块太阳能电池板组成，太阳能电池板同时连接低速精密电机，低速精密电机根据太阳能电池板产生的电压差值，带动太阳能电池组件朝着最佳的照射位置转动，低速精密电机的尾端连接旋转编码器，旋转编码器输出脉冲信号[5]，通过控制器读取脉冲信号获得太阳能电池组件的转动角度，即阳光照射角度。

3 装置结构示意图及工作流程

3.1 结构示意图

阳光角度测量装置由太阳能组件和旋转编码器、低速精密电机等组成。俯视图如图1所示。

图1 阳光角度测量装置俯视图

太阳能电池组件封装在一个固定尺寸的透明玻璃四方体中，其内置可以自由转动且成一定角度的两块太阳能电池板，透明玻璃四方体不仅可以透过阳光并且能够防止外界环境的干扰；带有旋转编码器的低速精密电机通过联轴器与太阳能组件相连，低速电机转动时会带动旋转编码器并产生脉冲信号。阳光角度测量装置正视图如图2所示，电路图如图3所示。

图2 阳光角度测量装置正视图

图3 阳光角度测量装置电路图

3.2 工作流程

当阳光以一定倾斜角度照射到太阳能电池板上，其未处于阳光最佳照射角度时，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板的正极会产生电压差。电压差驱动低转速精密电机输出力矩，再带动太阳能电池组件进行旋转。当第一太阳能电池板受到的光照大于第二太阳能电池板时，第一太阳能电池板产生的电压大于第二太阳能电池板，电机顺时针旋转，当第一太阳能电池板受到的光照小于第二太阳能电池板时，低转速精密电机逆时针旋转。

根据第一太阳能电池板和第二太阳能电池板产生电压差的高低，可以产生不同大小的驱动力，当第一太阳能电池板和第二太阳能电池板产生较高的电压差时，便产生较大的驱动力和转动速度，从而带动太阳能电池板组件快速朝着最佳的照射位置转动。当接近阳光的最佳照射位置时，第一太阳能电池板和第二太阳能电池板会产生相对较低的电压差，产生较小的驱动力和较低的转动速度，带动太阳能电池板组件精确地到达阳光最佳照射位置。低速精密电机转动时带动旋转编码器，旋转编码器输出脉冲信号，通过控制器读取脉冲信号就可得太阳能电池组件的转动角度，即阳光照射角度。

4 结语

综上所述，该测定装置能够实现阳光照射角度测定的闭环控制，控制环节少，控制精度高。同时相较于现有的其他追踪系统，装置结构简单，造价低。太阳能电池板不同光照角度下产生的电压不同，利用电压差可驱动低速精密电机带动太阳能电池组件朝着最佳的照射位置转动，低速精密电机的尾端连接旋转编码器，旋转编码器输出脉冲信号，读取脉冲信号即可获得阳光照射角度。