太陽能的跟蹤與檢測?

時繼潮 溫承鵬 曹 睿 吳陽明

（大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院 大連 116028）

1 引言

隨著社會的不斷發(fā)展，不可再生能源在地球上的儲量越來越少，因此，像太陽能這樣的可再生清潔能源越來越受到人們的重視。隨著人們對太陽能這一清潔能源使用量的增加，如何在同等投入下獲取更多的太陽能成為當(dāng)下研究的重點［1］。

本設(shè)計正是針對現(xiàn)有太陽能發(fā)電設(shè)備自身存在的種種不足，加入反饋調(diào)節(jié)、對比較正等相關(guān)算法，使設(shè)備對太陽進(jìn)行實時追蹤，最大程度地保證對太陽能的采集與利用［2］。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)與工作原理

此光伏發(fā)電系統(tǒng)主要由主控制器、光照傳感器、位置傳感器、步進(jìn)電機(jī)、太陽能接收板組成。

步進(jìn)電機(jī)一共有兩個，一個橫向放置，一個豎直放置，兩者間通過支架連接，起支撐和旋轉(zhuǎn)作用，太陽能接收板固定在與步進(jìn)電機(jī)相連的支架上，光照傳感器固定在太陽能接收板邊上，與太陽能接收板垂直［3］。

主控制器主要由ARM芯片組成，光照傳感器通過對東、西、南、北四個方位的光照強(qiáng)度進(jìn)行采集，將采集到的光照這一模擬量發(fā)送給主控制器，主控制器將這四路模擬量通過A/D轉(zhuǎn)換，將光照這一模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，通過加入比較優(yōu)化算法將采集量進(jìn)行對比分析，將最終結(jié)果反饋給步進(jìn)電機(jī)，從而實現(xiàn)相應(yīng)操作，加上方位傳感器對方位角的實時比對，使太陽能電池板實時正向太陽［4］。

系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 檢測系統(tǒng)設(shè)備整體結(jié)構(gòu)

由圖1可知，豎直放置的步進(jìn)電機(jī)主要控制左右方位，水平放置的步進(jìn)電機(jī)主要控制上下方位，最終加上方位傳感器的微調(diào)，使太陽能接收板實時正對太陽，從而獲取最大的太陽能轉(zhuǎn)換率［5］。

3 系統(tǒng)的控制策略分析

自動控制系統(tǒng)能夠?qū)Ρ豢貙ο蟮墓ぷ鳡顟B(tài)進(jìn)行實時控制。其由許多不同的功能部分組成。在本系統(tǒng)中，主要應(yīng)用閉環(huán)控制方式對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制，以達(dá)到最佳接收效果［6］。

3.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)原理

閉環(huán)控制與常見的開環(huán)控制不同之處在于閉環(huán)控制中裝置與被控對象之間不僅有正向作用，還有反向的自動反饋作用，其能將被控系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行實時反饋比對，因此閉環(huán)控制又稱為反饋控制［7］。閉環(huán)控制更多的是反映自然界中客觀事物控制自身運動的基本規(guī)律，其往往能實現(xiàn)相對復(fù)雜且精度要求較高的控制，對降低控制誤差有著顯著的作用［8］。

閉環(huán)控制示意圖如圖2所示。

由圖2可以看出，閉環(huán)控制系統(tǒng)的輸出量不斷地被反饋到輸入端，與輸入量進(jìn)行比對，將對比結(jié)果傳遞給控制器，從而對被控對象執(zhí)行相應(yīng)操作，使輸出效果達(dá)到最優(yōu)［9］。

3.2 改進(jìn)控制系統(tǒng)原理

由于考慮到系統(tǒng)對太陽能的采集精度要求較高，因此在現(xiàn)有基礎(chǔ)上對控制方法進(jìn)行了改進(jìn)，增加了校正環(huán)節(jié)，這就使得系統(tǒng)整體性能更加穩(wěn)定［10］。通過Matlab對相關(guān)控制算法中的閉環(huán)處理過程進(jìn)行仿真，其仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 改進(jìn)系統(tǒng)的控制仿真圖

由圖3中所標(biāo)出的關(guān)鍵點可以看出，改進(jìn)后的控制系統(tǒng)在相位裕度和幅值裕度均好于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，尤其增益裕度的改變，這就使得控制系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，更小的超調(diào)和誤差，滿足系統(tǒng)對光照采集高精度的要求［11］。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源模塊、控制器模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、光照傳感器模塊及方位傳感器模塊5部分［12］。

由于系統(tǒng)的低功耗與自身可發(fā)電的特點，電源模塊采用可充電蓄電池作為系統(tǒng)總供電源進(jìn)行供電，經(jīng)電路中多重濾波整合后，其為整個系統(tǒng)提供了持續(xù)穩(wěn)定的電源輸出；控制器模塊以ST公司的STM32F103芯片為核心，其具有低功耗、高性能、易開發(fā)等優(yōu)勢；電機(jī)驅(qū)動模塊模塊主要由主控芯片STM32F103控制，是調(diào)解整個系統(tǒng)方位的重要方式；光照傳感器模塊及方位傳感器模塊也是由主控芯片進(jìn)行控制，主要講采集到的信息和反饋信息發(fā)送給主控制器，主控制器對所接收到的這一信息進(jìn)行處理后控制步進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)方位調(diào)整，使太陽能的利用效率達(dá)到最佳［13］。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體硬件電路圖如圖4所示。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)整體硬件電路

5 光伏發(fā)電系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行初始化，由于在進(jìn)入光電跟蹤控制模式之前，視日跟蹤控制環(huán)節(jié)已經(jīng)采樣信號計算了偏差，所以進(jìn)入光電控制模式后，實時太陽位置與實際太陽位置偏差值作為輸入的偏差信號啟動光電跟蹤控制系統(tǒng)［14］。

系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。

圖5 光伏發(fā)電系統(tǒng)軟件流程圖

由圖5可以得知，系統(tǒng)初始化后，首先對偏差量進(jìn)行采集，然后啟動閉環(huán)反饋系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，將比對結(jié)果反饋給控制系統(tǒng)，從而控制系統(tǒng)控制電機(jī)做出相應(yīng)調(diào)整，不斷反饋不斷修正，使最終采集效果達(dá)到最優(yōu)［15］。

6 結(jié)語

太陽能和其它不可再生能源相比有著環(huán)保、可重復(fù)使用、使用周期長等優(yōu)點，大力發(fā)展太陽能等清潔可再生能源迎合現(xiàn)在節(jié)能環(huán)保的發(fā)展理念，是未來科技發(fā)展的重要方向［16］。

同時，此系統(tǒng)還具有轉(zhuǎn)化效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、便于攜帶使用等優(yōu)勢，只要有太陽、需要用電的地方都可以很好地被利用，現(xiàn)在已經(jīng)完成實物的研發(fā)和測試，性能穩(wěn)定，具有廣闊的商業(yè)價值和應(yīng)用前景。