近年来，由于能源消费量的逐步增加，导致传统的能源日益匮乏，人们迫切地渴望获取一种全新的能源。因此，为了充分满足社会和经济增长的需要，寻找一种绿色、可再生性的新能源已经引起了全社会的重视。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。由于太阳光强会随着日照时间发生变化,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%。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待解决的难题之一。

本设计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Arduino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）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，其系统结构框图如图3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2 太阳能追光系统总体结构

（2） 追光控制系统方案设计

为了实现对追光系统的有效控制，提高控制系统的灵活性，本项目提出了采用单片机对追光系统进行控制，整个控制系统主要包括单片机、光敏电阻模块、电压检测模块、红外模块、电源模块、继电器模块、显示屏模块、电动机模块等部分。系统总体控制思路：通过光敏电阻模块对太阳光强进行检测，由电压检测模 块处理后，输入单片机控制单元处理，处理后再经由继电器模块，实现弱电到强电转换，驱动电动机模块，实现追光系统的追光装置的运动，达到太阳光强最强的目标追踪功能。

图3 电路原理图

（3）光照强度检测及放大装置

光照强度检测的精准程度对逐日系统有重要的影响，因此光照传感器及其安装位置的选择为本设计的重点。综合考虑转换放大电路电流标准、灵敏度及其他因素指标，本设计选择RS-GZ-I20-2光照强度传感变送器进行光照强度检测。RS-GZ-I20-2能检测最大量程为65535 Lx的光照强度，并能将0～65535 Lx的光照强度相应转换为4 mA～20 mA的电流输出，其电流大小与转换放大电路相适应，经过转换放大后的电压数值适合EM231模块工作。如图2所示，在光伏电池片四周边框上安装4个规格参数完全相同的RS-GZ-I20-2光照度传感器，设4个光敏电阻的光感电流分别为In、Is、Ie、Iw，通过转换装置，将电流信号转化为电压信号。为了便于信号后期的处理，将电压信号经过放大电路转化为适应于EM231模块的电压值。转换放大电路如图5所示。

图4 光照强度传感器安装位置

（4）转换模块设置

由于PLC内部只能处理数字信号，而从光伏电池板经转换放大电路的为模拟信号，因此选择EM231模块将电压信号转化为PLC可处理的数字信号。将光伏电池板四周电压信号分别接入EM231模块的A路、B路、C路、D路，其对应顺序如表2所示。

表1  EM231模块电路分配

其控制电路接线如图6所示。

图6 控制电路接线 

PLC的I/O口分配及电路设计

PLC 的 I/O 分配及接线图分别如表3、图 7 所示。PLC的开关量输入端设手动和自动切换按钮，启动和停止按钮、4路方向手动按钮；PLC的输出开关量分别控制4路继电器KA1~KA4，实现对两台电机的正反转控制。PLC能够根据能源在各种不可控条件下的变化进行实时调整，掌握着整个系统的机能管理。

表2  PLC的I/O分配

图7  PLC的I/O接线