太陽(yáng)能光伏板定向跟蹤裝置的設(shè)計(jì)與研究

彭 可，聶 健，邵 添，李國(guó)平

(湖南師范大學(xué)工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410081)

太陽(yáng)能作為一種理想的可再生能源，但由于其能量密度低、接收連續(xù)性差，隨季節(jié)、晝夜、地理位置，氣候條件的變化而變化。為提高太陽(yáng)能的利用效率，許多企業(yè)和大學(xué)都設(shè)計(jì)出了他們自己的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。根據(jù)權(quán)威實(shí)驗(yàn)測(cè)試顯示，單軸跟蹤裝置比固定裝置的發(fā)電量提高約25%，雙軸跟蹤裝置比固定裝置的發(fā)電量提高約35%[1]，因此進(jìn)行太陽(yáng)能跟蹤裝置的研究是很有必要的。本文設(shè)計(jì)出的高度角-方位角[2]式雙軸跟蹤機(jī)構(gòu)形式，能夠在俯仰和水平兩個(gè)方位上跟蹤太陽(yáng)?？刂品绞降倪x取也會(huì)影響設(shè)備利用太陽(yáng)能的性能，為提高跟蹤精度，本文的控制方式采取視日運(yùn)行軌跡[3]跟蹤與爬山法跟蹤相結(jié)合互補(bǔ)跟蹤。

1 跟蹤裝置機(jī)械系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 傳動(dòng)方案與雙軸系統(tǒng)方案

隨著太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的日漸成熟，人們對(duì)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)的需求也越來(lái)越大，很多高校和公司都相繼推出自己的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)。有的基于絲桿機(jī)構(gòu)，有的基于大減速比齒輪機(jī)構(gòu)，有的基于液壓機(jī)構(gòu)，有的采用多種機(jī)構(gòu)結(jié)合使用的方案?？紤]到系統(tǒng)需要結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，并具有防風(fēng)等要求，本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)是基于高度角-方位角的立柱式雙軸跟蹤裝置[4]，該裝置占地面積小，易于安裝和大型化，方位角的驅(qū)動(dòng)使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)渦輪蝸桿減速器，高度角驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)為了結(jié)構(gòu)緊湊和小型化，選擇電動(dòng)推桿。

機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮了東西水平方向和南北垂直方向兩個(gè)方向上的跟蹤，水平方向由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)方位角；南北垂直方向，使用自帶電位計(jì)的電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)高度角。即跟蹤裝置設(shè)有兩根軸，能夠?qū)μ?yáng)高度角和方位角同時(shí)進(jìn)行跟蹤，提高了跟蹤精度和對(duì)太陽(yáng)能的利用效率。

1.2 跟蹤裝置機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前，太陽(yáng)能電池板按放置方式的不同有：直板式、疊加式等?？紤]其抗風(fēng)能力的要求，本文采用直板式。機(jī)械結(jié)構(gòu)原理如圖1所示,跟蹤系統(tǒng)由1個(gè)立柱，2個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，上框架組成。其中上框架由輕質(zhì)鋁合金制成，可固定兩塊太陽(yáng)能電池板，水平軸通過左右兩個(gè)軸承與上框架上的角鐵連接在一起，上框架可以繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)。電動(dòng)推桿與上框架固定在一起，可以推動(dòng)上框架帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板繞水平軸作俯仰運(yùn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)高度角的變化。步進(jìn)電機(jī)通過聯(lián)軸器連接渦輪蝸桿帶動(dòng)垂直軸在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)方位角。本系統(tǒng)可以驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板在方位角上實(shí)現(xiàn)0～180°旋轉(zhuǎn)，高度角實(shí)現(xiàn)5～90°翻轉(zhuǎn)，通過高度角與方位角的同時(shí)跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全方位跟蹤。

①太陽(yáng)能光伏板；②太陽(yáng)能光伏板上框架；③水平軸承；④水平軸；⑤蝸輪；⑥垂直軸；⑦整體支座；⑧蝸桿；⑨聯(lián)軸器；⑩步進(jìn)電機(jī);電動(dòng)推桿圖1 跟蹤裝置傳動(dòng)方案Fig.1 The transmission scheme of the tracking device

2 跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2的單片機(jī)。該單片機(jī)具有功耗低、速度快、抗干擾強(qiáng)等特點(diǎn)，可以作為民用太陽(yáng)能跟蹤裝置的主控制芯片。跟蹤控制系統(tǒng)由主控制器、電壓信號(hào)采集電路、LCD顯示電路、DS1302時(shí)鐘電路、中斷按鍵電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、限位控制電路、以及電動(dòng)推桿驅(qū)動(dòng)電路等電路組成。控制系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)框圖Fig.2 The control system

控制系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)功能如下：

1) 電壓信號(hào)采集電路：用于采集光伏板兩端的輸出電壓，判斷外部光線強(qiáng)弱。比較不同位置采集的輸出電壓大小，從而判斷太陽(yáng)。

2) RTC實(shí)時(shí)時(shí)鐘：用于向單片機(jī)提供當(dāng)前日期和時(shí)間信息。

3) LCD顯示屏：用于顯示當(dāng)前時(shí)間、太陽(yáng)高度角、方位角、電池板輸出的電壓、功率等信息，方便調(diào)試。

4) 中斷按鍵電路：用于手動(dòng)調(diào)整步進(jìn)電機(jī)和電動(dòng)推桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度以及控制LCD顯示屏的顯示信息。

5) STC12C5A作為控制器核心芯片，輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和電動(dòng)推桿對(duì)太陽(yáng)位置進(jìn)行跟蹤。

3 控制方式及其特點(diǎn)

在太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)按照輸出端是否存在反饋可以劃分為以下3類：開環(huán)控制、閉環(huán)控制和混合控制。如果不存在反饋稱為開環(huán)控制，存在反饋稱為閉環(huán)控制，開環(huán)與閉環(huán)控制方式同時(shí)使用稱為混合控制。

開環(huán)控制方式，常用的方法為視日運(yùn)行軌跡跟蹤。

閉環(huán)控制方式，一般利用傳感器跟蹤，即光電跟蹤。本文提出一種新的閉環(huán)跟蹤方法——爬山法。

3.1 視日運(yùn)行軌跡跟蹤

視日運(yùn)行軌跡跟蹤原理:按照天體運(yùn)行規(guī)律，太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡可以通過視日運(yùn)行軌跡公式近似計(jì)算出來(lái)。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度、日期和時(shí)間，編寫視日運(yùn)行軌跡算法程序，計(jì)算出當(dāng)前的太陽(yáng)高度角和方位角的理論值。根據(jù)理論值，算出跟蹤機(jī)構(gòu)俯仰軸和方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)全方位的跟蹤。該方法控制簡(jiǎn)單方便，不受多云、陰天及外部環(huán)境的影響，可靠性強(qiáng)。缺點(diǎn)是利用天文計(jì)算公式計(jì)算出來(lái)的太陽(yáng)角度會(huì)有累積誤差,運(yùn)行過程中無(wú)法自身消除,需要人為校正[5]。

3.2 爬山法跟蹤

爬山法跟蹤的原理：隨著太陽(yáng)位置的不斷變化，光伏板接收到的太陽(yáng)能也會(huì)發(fā)生變化，將引起光伏板輸出電壓發(fā)生改變，但任意時(shí)刻，光伏板都有一個(gè)最高電壓輸出位置。通過在高度角和方位角上不斷轉(zhuǎn)動(dòng)光伏板，讀取和比較光伏板的輸出電壓值，當(dāng)讀取到的電壓值在高度角和方位角上分別大于其左右鄰近的電壓值時(shí)，此時(shí)光伏板基本與太陽(yáng)入射光線垂直，停止跟蹤。爬山法跟蹤能夠消除視日運(yùn)行軌跡跟蹤帶來(lái)的累積誤差。缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)多云，太陽(yáng)光線強(qiáng)度在短時(shí)間內(nèi)變化較大時(shí)，可能引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤操作，從而影響跟蹤精度。

3.3 視日運(yùn)行軌跡與爬山法互補(bǔ)跟蹤

跟蹤裝置工作后，首先實(shí)行視日運(yùn)行軌跡跟蹤方式跟蹤太陽(yáng)。通過檢測(cè)光伏板輸出電壓值的大小判斷跟蹤裝置是否進(jìn)入爬山法跟蹤。判斷方法為輸出電壓與設(shè)定閾值相比較，如果大于閾值，則為晴天，進(jìn)行爬山法跟蹤，如果小于閾值，則為陰天，放棄此次的爬山法跟蹤。跟蹤系統(tǒng)在兩種模式間自動(dòng)切換。此種跟蹤方式不僅受外界環(huán)境影響小，而且能自身修正累積誤差，從而保證跟蹤控制系統(tǒng)的跟蹤精度。

3.4 視日運(yùn)行軌跡跟蹤角度計(jì)算

根據(jù)天體運(yùn)行規(guī)律，太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡可以由視日運(yùn)行軌跡算法計(jì)算出來(lái)，通過計(jì)算太陽(yáng)每時(shí)每刻的高度角和方位角跟蹤太陽(yáng)位置。

太陽(yáng)高度角的計(jì)算：高度角為入射光線與其在地平面上投影線之間的夾角。高度角與緯度、赤緯角及時(shí)角之間的關(guān)系如下：

sinh=sinφsinδ+cosφcsoδcosω

(1)

注：角度的計(jì)量單位均為度。

太陽(yáng)方位角的計(jì)算：方位角為入射光線在地平面上的投影與正南方向的夾角。以正南方為起點(diǎn)，往西為正，往東為負(fù)。它與赤緯角、高度角、緯度及時(shí)角的關(guān)系如下：

(2)

式中：h—太陽(yáng)高度角；γ—太陽(yáng)方位角；δ—太陽(yáng)赤緯角；ω—太陽(yáng)時(shí)角；φ—當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

由以上公式可知，太陽(yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角的估算與太陽(yáng)位置的計(jì)算密切相關(guān)，其估算精度直接影響太陽(yáng)位置的計(jì)算精度。

太陽(yáng)赤緯角的計(jì)算：太陽(yáng)光線與地球赤道面的夾角稱為赤緯角。Cooper在1969年提出以下公式作為太陽(yáng)赤緯角δ的近似計(jì)算方程[6]：

(3)

式中n為積日，即為1年中的天數(shù)，如1月1日n=1，12月31日，平年時(shí)n=365，閏年時(shí)n=366。

太陽(yáng)時(shí)角的計(jì)算：時(shí)角ω的大小由太陽(yáng)時(shí)圈與正南方向之間的夾角確定。時(shí)角ω大小與當(dāng)?shù)貢r(shí)間相關(guān)。地球一天24 h自轉(zhuǎn)360°，1 h的自轉(zhuǎn)角為15°。規(guī)定當(dāng)?shù)卣鐣r(shí)的時(shí)角為0，上午為負(fù)，下午為正。表示如下：

ω=(t-12)×15°

(4)

其中t為當(dāng)?shù)貢r(shí)間。通過以上公式，就能較精確地計(jì)算出任意時(shí)刻太陽(yáng)的高度角和方位角，同時(shí)由控制器發(fā)出控制指令跟蹤太陽(yáng)高度角和方位角。

4 跟蹤裝置的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)跟蹤主程序設(shè)計(jì)

控制主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程Fig.3 The main program

主程序開始后，主控制芯片獲取當(dāng)前時(shí)間判斷是日出前還是日出后，如果是日出前，系統(tǒng)等待一段時(shí)間后再次判斷；如果是日出后，則進(jìn)入視日運(yùn)行軌跡跟蹤。通過角度公式計(jì)算當(dāng)前的太陽(yáng)高度角與方位角。主控制器獲取當(dāng)前的太陽(yáng)角度后，計(jì)算電機(jī)與電動(dòng)推桿應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，跟蹤太陽(yáng)方位角與高度角。視日運(yùn)行軌跡跟蹤子程序完成后，根據(jù)當(dāng)前的天氣狀況，判斷是否進(jìn)入爬山法跟蹤。判斷方法如下，檢測(cè)光伏板的輸出電壓，如果輸出電壓大于設(shè)定閾值，則為晴天，進(jìn)入爬山法跟蹤子程序。如果光伏板輸出電壓小于設(shè)定閾值，則為陰天，放棄此次爬山法跟蹤。延時(shí)結(jié)束后要判斷當(dāng)前時(shí)間是否在日出前日落后，若不是則進(jìn)入下一次循環(huán)，若是則跳出循環(huán)，并驅(qū)動(dòng)跟蹤機(jī)構(gòu)回到起始位置后電動(dòng)推桿停止工作。

4.2 視日運(yùn)行跟蹤子程序

視日運(yùn)行軌跡跟蹤子程序流程如圖4所示。程序運(yùn)行后，主控制器通過當(dāng)?shù)氐臅r(shí)間以及經(jīng)緯度信息，計(jì)算出當(dāng)前太陽(yáng)高度角和方位角。并與上一時(shí)刻的角度作差，得到延時(shí)時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)高度角與方位角的變化差值，根據(jù)此差值，計(jì)算電動(dòng)推桿與步進(jìn)電機(jī)在該時(shí)間段內(nèi)應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)，完成對(duì)太陽(yáng)位置的跟蹤。一天內(nèi)，上午高度角一直增大，下午減??；電動(dòng)推桿在上午時(shí)向上推升，下午時(shí)向下收縮，跟蹤太陽(yáng)高度角。方位角日出后一直在增大，則步進(jìn)電機(jī)始終向西正轉(zhuǎn)，跟蹤太陽(yáng)方位角。只有當(dāng)日落后，系統(tǒng)需要返回起始位置時(shí)才反轉(zhuǎn)。當(dāng)電動(dòng)推桿與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到位后，結(jié)束本次跟蹤。

圖4 視日運(yùn)行軌跡跟蹤子程序Fig.4 The subprograms of the day trajectory tracking

4.3 爬山法跟蹤子程序

程序流程如圖5所示，當(dāng)讀取到的光伏板輸出電壓值大于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行爬山法跟蹤，保存讀取到的電壓值，推桿推動(dòng)光伏板上升一定角度后，讀取當(dāng)前電壓值并與上升前保存的電壓值進(jìn)行比較，如果大于上升前電壓值，則光伏板繼續(xù)上升，否則推桿推動(dòng)光伏板下降一定角度。當(dāng)光伏板下降一定角度后，讀取當(dāng)前電壓值與下降前電壓值進(jìn)行比較，如果大于下降前電壓值，則光伏板繼續(xù)下降，否則電機(jī)正轉(zhuǎn)。通過不斷調(diào)整推桿、比較電壓值，完成太陽(yáng)高度角跟蹤，方位角跟蹤原理同上。

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

用2塊參數(shù)相同的太陽(yáng)能光伏板同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試,其結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 1 The structure parameters of solar panel

圖6 跟蹤式與固定式輸出功率對(duì)比曲線Fig.6 The contrast curves of output power for tracking mode and stationary mode

其中一塊固定于跟蹤控制系統(tǒng)上,另一塊調(diào)至當(dāng)?shù)刈罴褍A角[7]。采集2塊太陽(yáng)能光伏板在2013年8月20日那一天的瞬時(shí)輸出功率，其對(duì)比曲線如圖6所示。

由輸出功率曲線可以看出：采用跟蹤后比固定式安裝的輸出功率明顯增加,經(jīng)計(jì)算約提高31%。當(dāng)然跟蹤平臺(tái)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有影響,若執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精度得到提高,將會(huì)得到更理想的結(jié)果。

6 結(jié) 語(yǔ)

該系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)有兩根軸，能在兩個(gè)方向上對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤，且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安裝方便?？刂品绞讲扇∫暼者\(yùn)行軌跡跟蹤為主，爬山法跟蹤為輔的跟蹤方法，將兩種跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合到一起，實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)的高精度跟蹤。經(jīng)檢測(cè)，該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，穩(wěn)定，有很高的性價(jià)比，便于在太陽(yáng)能跟蹤裝置中推廣和使用。

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