光伏發(fā)電雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)的設計

張相明，鄧 瑋，關煥新，金月新

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

光伏發(fā)電雙軸自動跟蹤控制系統(tǒng)的設計

張相明，鄧 瑋，關煥新，金月新

(沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136)

太陽能光伏電池陳列的發(fā)電量與光線入射角角度有關，光線與光伏陣列平面垂直時發(fā)電量最大。采用太陽自動跟蹤的方式，使太陽能電池板始終保持與太陽光垂直，可大大提高光伏陣列的發(fā)電量。采用光感跟蹤與時間跟蹤相結合的方法，設計了全天候太陽方位跟蹤控制系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括檢測、跟蹤控制方式轉換及雙跟蹤方式的控制。該雙軸跟蹤系統(tǒng)具有結構簡單、穩(wěn)定性好、精度高的特點，具有廣闊的應用前景。

光伏發(fā)電;光感自動跟蹤;時間跟蹤;跟蹤控制

為了提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力，目前國內外大多數(shù)研究主要集中在最佳傾角固定安裝和傳感器跟蹤裝置［1］。光伏陣列最佳傾角固定安裝成本最低，但由于太陽光入射角的變化，光伏陣列不能高效吸收太陽輻射能量，性價比較低。

傳感器跟蹤 (光感跟蹤)是利用光電傳感器檢測太陽光是否偏離電池板法線，當太陽光偏離電池板法線時，傳感器發(fā)出偏差信號，使光伏陣列重新垂直對準太陽光。這種跟蹤方式全部跟蹤信號均來自傳感器，系統(tǒng)無需起始定位，只要有陽光，系統(tǒng)就會在180°范圍內自動跟蹤。傳感器跟蹤方式的優(yōu)勢是精度和靈敏度較高，缺點是受天氣影響大，有云時則無法追日跟蹤。自動跟蹤裝置隨時根據(jù)太陽的運行軌跡調整陣列表面角度，在相同的輻照條件下吸收比固定安裝方式更多的太陽輻射能量。但由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的長期工作、氣候條件的多變性、復雜性，使傳感器分辨率降低，導致電動機經(jīng)常性動作，浪費電能，造成系統(tǒng)損壞，降低了發(fā)電效率［1］［2］［3］。

視日運動軌跡跟蹤 (時間跟蹤)是根據(jù)太陽實際運行軌跡按預定的程序調整跟蹤裝置跟蹤太陽。這種跟蹤方式能夠全天候實時跟蹤，單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角作季節(jié)性調整，雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個方向跟蹤太陽軌跡。

本文利用太陽輻射模型和單片機技術設計了一種視日運動跟蹤和光電跟蹤相結合的控制系統(tǒng)，不僅僅依賴于傳感器，系統(tǒng)能夠在任何復雜天氣情況下工作，最大限度地接收太陽能，提高光伏發(fā)電效率;同時考慮一年四季中日出日沒時角的變化，利用單片機自動計算工作起止時間。另外，設置了休眠狀態(tài)，節(jié)省了電能，有利于實際應用。

1 太陽輻射模型

太陽在天球上的位置每時每刻都有變化，其位置的確定常用赤道坐標系和地平坐標系從不同角度來表示。

赤道坐標系是把地球上的經(jīng)、緯度坐標系擴展至天球，在地球上與赤道面平行的緯度圈，天球上稱為赤緯圈;在地球上通過南北極的經(jīng)度圈，天球上稱為時圈。用赤緯角δ和時角Ω表示太陽的位置。時角是指太陽所在的時圈與通過南點的時圈構成的夾角。從天球北極看，順時針方向為正，逆時針方向為負。時角表示太陽的方位，因為天球在24 h內旋轉360°，所以每小時旋轉15°。

地平坐標系是以地平圈為基圈，用太陽高度角hs和方位角As來確定太陽在天球中的位置。太陽高度角是指太陽直射光線與地平面間的夾角。太陽方位角是指太陽直射光線在地平面上的投影線與地平面正南向所夾的角，通常以南點S為0°，向西為正值，向東為負值［4］。

根據(jù)以上的定義，某地在夏至日的方位角是一年中的最大值，冬至日是一年中太陽高度角最小值。知道了這兩個特殊日子的太陽高度角和方位角，就能夠知道一年中太陽光線對該地的覆蓋情況。

2 系統(tǒng)硬件設計

根據(jù)太陽輻射計算原理，設計的單片機控制系統(tǒng)硬件電路，如圖1所示。

采用操作性很強的51系列單片機89C52，作為中央處理器，外接存儲器，用來存放當?shù)鼐暥鹊饶Ｐ蛥?shù)及中間計算變量。由式 (5)計算當天日出時刻，由單片機發(fā)出控制指令，控制驅動電路使步進電動機產(chǎn)生固定步進角，顯示、鍵盤電路用來設置控制參數(shù)。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

光電傳感器中的光電二極管的光照特性可以近似地看作是線性關系。將光檢測部分做成四象限結構，在每個象限安裝一個光電二極管，電路的連接是先計算相鄰象限信號的和，再計算差［5］。

為確保光伏發(fā)電裝置在大風條件下不被吹壞，控制系統(tǒng)中設計了風速傳感器模塊。風速傳感器輸出脈沖信號，程序進入高速脈沖中斷響應子程序，光伏陣列自動放平，大風過后8 min則恢復自動跟蹤。

太陽能電池板有兩個自由度，控制機構將分別對X、Y兩方向進行調整。當電池板轉動到兩端的極限位置時，由于跟蹤裝置安裝了限位觸感器，到限位觸點時自動切斷脈沖輸出，電動機停止動作，該功能起硬件保護作用。

3 系統(tǒng)軟件設計

本文中太陽能雙軸跟蹤控制器，采用了時控與光控相結合的控制方式。采用四象限光敏電阻對太陽高度角和方位角檢測，檢測精度可根據(jù)實際需求進行調整。跟蹤器在天氣晴好、太陽不受遮擋的情況下，采用光控跟蹤方式;在陰雨天等光照度不足時，采用高精度太陽位置算法，根據(jù)當?shù)亟?jīng)緯度和時間，準確計算出太陽的實際位置進行跟蹤。跟蹤器的光控與時控方式互為補充、自動切換，在保證高精度跟蹤的同時，不受陰雨天氣的影響。在天氣由陰轉晴時，立刻將太陽光能采集過來，實現(xiàn)了最高效率的太陽能跟蹤。跟蹤控制系統(tǒng)采用高性能單片機控制，精確可靠，使用方便，抗干擾能力強。同時系統(tǒng)具有風載保護接口，支持外接風速傳感器，能夠隨時控制系統(tǒng)進入機械最大抗風狀態(tài)。

跟蹤系統(tǒng)具備如下功能特點:

a. 全自動跟蹤功能，無需人工干預調試;

b. 光控與時控跟蹤誤差按照實際需求可調;

c. 光控與時控自動切換，光照度強時自動切換至光控狀態(tài)，光照弱時自動切換至時控狀態(tài);

d. 良好的環(huán)境適應性，不受陰雨天干擾;

e. 根據(jù)經(jīng)緯度及時間，采用高精度太陽位置算法準確計算當?shù)靥栁恢?

f. 抗風設計、夜晚自動放平至初始位置;

g. 方位角跟蹤角度為120°;高度角跟蹤角度為56°，方位角及高度角跟蹤范圍可調;

h. 留有手動控制模式，可人工調整跟蹤角度。

跟蹤模式的控制過程完全由軟件實現(xiàn)，可以對不同的地區(qū)和不同的氣候進行調整，以提高光伏電站的發(fā)電效率?？刂葡到y(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 跟蹤控制系統(tǒng)程序流程圖

時間跟蹤單元根據(jù)設定時間及位置參數(shù)，計算相對太陽實時方位，按照系統(tǒng)設定時間隔，定時向控制單元發(fā)送參數(shù)信息。光感跟蹤單元根據(jù)光感位置發(fā)送來的太陽光的參數(shù)，計算太陽實時方位，按照時間單元設定的時間間隔定時向控制單元發(fā)送參數(shù)信息?？刂茊卧鶕?jù)時間跟蹤單元或光感跟蹤單元發(fā)送來的參數(shù)信息向傳動及支撐裝置發(fā)送指令。

圖3為控制系統(tǒng)電路按鍵功能說明。

控制程序采用了C語言編程。表1為本文中主要功能函數(shù)定義表。

圖3 控制系統(tǒng)按鍵功能

表 主要功能函數(shù)

4 結論

本文介紹了雙軸太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動檢測晝夜，實時跟蹤太陽。以89C52單片機作為控制器，計算出太陽的實時位置并轉化為脈沖發(fā)送給伺服驅動器，驅動電動機轉動跟蹤裝置跟蹤太陽。全天候太陽方位跟蹤控制系統(tǒng)能及時根據(jù)天氣狀況對太陽方位跟蹤方式進行控制和選擇，將光感跟蹤與時間跟蹤方式合理地結合，以調整系統(tǒng)運行方式，降低了系統(tǒng)運行能耗。系統(tǒng)采取了抗風保護等功能，保證太陽跟蹤系統(tǒng)在惡劣天氣條件下安全運行。該自動跟蹤系統(tǒng)準確性高，可靠性強，提高了太陽能的利用效率。

［1］ 樊國梁，張曉燕.定時跟蹤太陽時角提高光伏發(fā)電效率［J］.內蒙古大學學報 (自然科學版)，2010，41(1):116-119.

［2］ 舒志兵，湯世松，趙李霞.高精度雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)的設計應用［D］.2010智能檢測與運動控制會議論文，2010，31-33，73.

［3］ 左云波，徐小力，白廷柱，等.全天候太陽方位跟蹤控制系統(tǒng)的設計［J］.可再生能源，2011，29(1):86-89.

［4］ 王國安，米鴻濤，鄧天宏，等.太陽高度角和日出日落時刻太陽方位角一年變化范圍的計算［J］.氣象與環(huán)境科學，2007，30(B09):161-164.

［5］ 吳小雨，王開寶.光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)設計 ［J］.機械工程師，2009(1):129-130.

Design of Automatic Dual Axis Tracking Control System in PV

ZHANG Xiang-ming，Deng Wei，GUAN Huan-xin，JIN Yue-xin
(Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China)

The generating capacity of the Solar Energy Photovoltaic Cell arrays is associated with the incidence angle of the sunlight.The power generation is the largest when rays being perpendicular to the planes of photovoltaic arrays.Adapting automatic tracking techniques could always make solar panels perpendicular to sunlight.So it has increased the generating capacity of the Solar Energy Photovoltaic Cell arrays greatly.A new tracking method which combined the photovoltaic tracking method and time tracking method was presented by this article and an all-weather control system for sun tracking was designed.The system includes the detect device，the switching control module and two-tracking control modules.The dual axis tracking system has many advantages，such as a simple structure，good stability，high accuracy，which is helpful to its spread and popularity in applied prosepct.

Photovoltaic generation;Photovoltaic automatic tracking;Time tracking;Tracking control

TM615

A

1004-7913(2013)03-0048-03

國家自然科學基金資助項目 (60972164)

張相明 (1973—)，男，工程師，主要從事太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)集成方面的研究工作。

2012-11-30)