光伏發(fā)電最大功率追光系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

王佳旺，呂海英

（天津農(nóng)學(xué)院，天津 300384）

能源是各個(gè)國(guó)家發(fā)展的重要資源，對(duì)于每個(gè)國(guó)家發(fā)展都不可或缺。隨著歷史的推進(jìn)、文明的發(fā)展，人類不斷開采使用著世界上的不可再生能源，如石油、天然氣等，不可再生資源日漸枯竭。近年來，各國(guó)也因?yàn)槟茉磫栴}產(chǎn)生了一系列爭(zhēng)端甚至發(fā)動(dòng)了戰(zhàn)爭(zhēng)。為了今后人類的生存和發(fā)展，需調(diào)整整個(gè)世界的能源結(jié)構(gòu)，減少存在污染的不可再生能源（如原油、煤炭等）的使用，解決能源沖突成為了全世界需要面對(duì)的嚴(yán)峻問題。為了可持續(xù)發(fā)展，世界各國(guó)開展了對(duì)可再生能源如太陽(yáng)能、風(fēng)能、水能、潮汐能等能源的研究。目前，太陽(yáng)能已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生活中，并且由于它分布廣泛、總量巨大、無污染的巨大優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景極為廣闊[1]，因此使用光伏發(fā)電取代傳統(tǒng)發(fā)電方式成為了一項(xiàng)改變能源結(jié)構(gòu)的重要舉措。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是在科技的推動(dòng)下，升級(jí)國(guó)內(nèi)能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要措施[2]，中國(guó)也應(yīng)盡快發(fā)展光伏發(fā)電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)能源轉(zhuǎn)變。

雖然太陽(yáng)能資源非常豐富，但收集困難，而且由于太陽(yáng)位置持續(xù)改變，傳統(tǒng)固定式安裝的光伏組件不能跟隨太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，只能在固定時(shí)間段正對(duì)太陽(yáng)[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)太陽(yáng)能的收集及利用主要使用大面積鋪設(shè)太陽(yáng)能板的方法，較少地區(qū)使用了單軸追光的方法來追蹤太陽(yáng)。利用這2 種方法都不能準(zhǔn)確高效利用太陽(yáng)能資源，都是不夠先進(jìn)的資源采集方式。由此可見，中國(guó)在追光系統(tǒng)的研究上距離世界存在著較大的差距，有很高的提高空間。太陽(yáng)能的利用效率一直受限于技術(shù)水平得不到提高，所以怎樣提高太陽(yáng)能的利用效率成為人類利用太陽(yáng)能的關(guān)鍵[4]。通過對(duì)國(guó)內(nèi)外追光系統(tǒng)的觀察發(fā)現(xiàn)，目前世界各國(guó)都投入了更先進(jìn)的技術(shù)和機(jī)器提高對(duì)太陽(yáng)追蹤技術(shù)的研究，期望更加有效地提高太陽(yáng)能的利用率。

本文分析了追光原理和擾動(dòng)觀察法，使用單片機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)智能追光，最大化利用太陽(yáng)能，建立仿真模型并進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 追光原理

如今光伏產(chǎn)業(yè)在現(xiàn)代化工業(yè)的推進(jìn)下蓬勃發(fā)展，采集太陽(yáng)能的方式也變得多種多樣。但如今使用最多、最主流的依然是大面積鋪設(shè)太陽(yáng)能采集板。通過整流電路等獲取的太陽(yáng)能儲(chǔ)存在電池內(nèi)部，目前光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率一般為16%～18%，發(fā)電成本較高[5]。因此提高太陽(yáng)能板的采集效率是追蹤系統(tǒng)需要解決的重要問題，需選擇合適的方法追蹤太陽(yáng)位置來確保太陽(yáng)光能夠直射采集板?，F(xiàn)如今投入追光系統(tǒng)的方法通常為視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤法和光電跟蹤法2 種。

視日運(yùn)動(dòng)軌跡法則原理是地球圍繞太陽(yáng)進(jìn)行公轉(zhuǎn)，因此太陽(yáng)發(fā)生的偏轉(zhuǎn)度各不相同，可通過模擬，根據(jù)歷年以來的太陽(yáng)方位角、高度角等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，利用數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)出太陽(yáng)的日出日落時(shí)間，再利用控制器來控制調(diào)整步進(jìn)電機(jī)追蹤太陽(yáng)。計(jì)算公式如下：

式（1）中：γ為太陽(yáng)時(shí)間角；φ為當(dāng)前所在緯度；δ為太陽(yáng)的赤緯角。

由此可推測(cè)出太陽(yáng)日出日落時(shí)間，但是這種方法僅僅能預(yù)測(cè)太陽(yáng)的移動(dòng)軌跡，并不能消除誤差，需要在系統(tǒng)工作后進(jìn)行調(diào)整、校正，并且計(jì)算的參數(shù)也相當(dāng)復(fù)雜，很容易產(chǎn)生因計(jì)算錯(cuò)誤導(dǎo)致的較大誤差。

光電跟蹤法是準(zhǔn)備2 個(gè)光敏管并將其放置到太陽(yáng)能采集板的2 個(gè)位置上，當(dāng)太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)、光線角度發(fā)生偏移時(shí)，光敏管采集的光信號(hào)發(fā)生改變，當(dāng)發(fā)生改變的差值小時(shí)，電機(jī)處于靜止?fàn)顟B(tài)，繼續(xù)在同一位置采集太陽(yáng)能；當(dāng)發(fā)生改變的差值超出允許范圍時(shí)，系統(tǒng)開始控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使太陽(yáng)光線照射到光敏管時(shí)的數(shù)值達(dá)到設(shè)置范圍，將電信號(hào)的變化情況進(jìn)行分析、判斷、處理，用以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以改變跟蹤裝置位置達(dá)到準(zhǔn)確聚集太陽(yáng)光的效果[6]。光電跟蹤法的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)太陽(yáng)的追蹤也隨時(shí)變化，準(zhǔn)確度相對(duì)較高。但整體來看，這種方法容易受到惡劣天氣的影響，當(dāng)整體環(huán)境光線較弱時(shí)（如陰天），由于各個(gè)角度接收到的數(shù)字信號(hào)值大抵相同，系統(tǒng)無法判斷哪個(gè)角度光線較強(qiáng)，容易引起系統(tǒng)的錯(cuò)誤操作，無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確跟蹤。

這2 種追蹤方式都有著一定的優(yōu)缺點(diǎn)。視日運(yùn)動(dòng)軌跡法需精確預(yù)測(cè)出太陽(yáng)的行動(dòng)路線才可以減小誤差，達(dá)到準(zhǔn)確的追蹤效果，需要隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整來確保系統(tǒng)的可實(shí)行性。而光電跟蹤則需要考慮天氣問題來提高系統(tǒng)的精度，由以上理論經(jīng)驗(yàn)可得出，視日運(yùn)動(dòng)跟蹤法可以彌補(bǔ)光電跟蹤的缺點(diǎn)，能在任何氣候條件下使光伏發(fā)電系統(tǒng)得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過程穩(wěn)定，可應(yīng)用于許多大中型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置。因此首先利用雙軸跟蹤系統(tǒng)，采用視日軌跡跟蹤技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的初始狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，再另行放置光敏管在太陽(yáng)能采集板的兩側(cè)，實(shí)時(shí)對(duì)太陽(yáng)的位置進(jìn)行跟蹤，達(dá)到日軌跡符合視日軌跡跟蹤預(yù)測(cè)時(shí)正常追光，當(dāng)不符合預(yù)測(cè)軌跡時(shí)利用光電跟蹤技術(shù)及時(shí)對(duì)系統(tǒng)跟蹤情況進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的準(zhǔn)確追蹤。

2 追光系統(tǒng)最大功率點(diǎn)的選擇

采用上述跟蹤法、利用太陽(yáng)能采集板追尋太陽(yáng)位置，盡量使太陽(yáng)光直射采集板，太陽(yáng)電池存在唯一功率輸出最大點(diǎn)，這個(gè)點(diǎn)也被稱為光伏最大功率點(diǎn)[7]，在工作中經(jīng)常稱這個(gè)功率最大化的點(diǎn)為MPPT（最大功率點(diǎn)跟蹤）控制點(diǎn)。為了提高追蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，選擇了擾動(dòng)觀察法來調(diào)整光伏發(fā)電追蹤系統(tǒng)的追蹤情況。

擾動(dòng)觀察法主要是通過變換系統(tǒng)的占空比，并且以此來影響擾動(dòng)Bооst 電路輸出時(shí)的輸出電壓，再根據(jù)對(duì)比擾動(dòng)產(chǎn)生的變化來預(yù)測(cè)下一次的擾動(dòng)方向，保持系統(tǒng)持續(xù)輸出最大功率。如當(dāng)電壓增大時(shí)功率也隨之增大，下一次就會(huì)朝著相同的方向發(fā)生擾動(dòng)，反之則向著反方向擾動(dòng)。擾動(dòng)觀察法具體流程如圖1所示。

圖1 擾動(dòng)觀察法輸出結(jié)果

使用擾動(dòng)觀察法建模，將溫度設(shè)定調(diào)整為恒定25 ℃，將光照強(qiáng)度進(jìn)行改變。在0～0.2 s 時(shí)，S=1 000 W/m2；0.2～0.3 s 時(shí)，S=800 W/m2；0.3～0.45 s時(shí)，S=600 W/m2。

根據(jù)仿真結(jié)果，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)，利用擾動(dòng)觀察法在改變太陽(yáng)輻射強(qiáng)度并重新達(dá)到穩(wěn)態(tài)后需要約0.02 s。但通過觀察發(fā)現(xiàn)，擾動(dòng)觀察法的電流、電壓以及輸出功率的曲線波形變動(dòng)較大，重新尋優(yōu)的時(shí)間較長(zhǎng)，說明此控制方法的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性不足。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性，考慮將Fuzzy-PID 復(fù)合控制算法結(jié)合擾動(dòng)觀察法，達(dá)到預(yù)期效果。Fuzzy-PID復(fù)合控制算法的結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 Fuzzy-PID 復(fù)合控制算法結(jié)構(gòu)圖

結(jié)合2 種算法，在大偏差范圍內(nèi)采用模糊控制，而小偏差范圍內(nèi)采用PID 控制，能達(dá)到更好的控制精度與控制性能，能夠很好發(fā)揮2 種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，擁有模糊控制的良好動(dòng)態(tài)性能和PID 控制消除穩(wěn)態(tài)誤差的功能，使得系統(tǒng)在局部陰影下能夠更穩(wěn)定運(yùn)行，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出效率。

將e和eс作為輸入量，經(jīng)過量化因子k1和k2將輸入變量投射到模糊控制器后得到輸出量kр、ki、kd，再經(jīng)過相應(yīng)的量化處理后的kр、ki、kd通過PID 控制器后得到控制量。

采用加權(quán)平均法，計(jì)算得到在不同狀態(tài)下的kр、ki、kd如下：

式（2）中：｛ei，Δei｝р、｛ei，Δei｝i、｛ei，Δei｝d為kр、ki、kd的校正量。

使用Fuzzy-PID 復(fù)合控制算法，當(dāng)光照強(qiáng)度變化時(shí)，其曲線相比較振幅較小更加平滑，尋優(yōu)速度明顯加快，跟蹤精度較高，穩(wěn)定性更好，控制效果更加理想。

3 單片機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

結(jié)合2 種追蹤法實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光的高效追蹤，以此提高系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確度并高效率運(yùn)行。因此需要對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，利用驅(qū)動(dòng)電機(jī)來調(diào)整太陽(yáng)能電池板的角度，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)跟蹤目的。

由此來看，單片機(jī)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)備選擇方面具有優(yōu)勢(shì)。單片機(jī)整體上體積小、內(nèi)部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)模塊化內(nèi)容，有很大的操作空間；能在低電壓的情況下持續(xù)工作，有低功耗的天然優(yōu)勢(shì)；數(shù)據(jù)處理也迅速準(zhǔn)確，運(yùn)算能力較強(qiáng)，可以完美適應(yīng)當(dāng)前的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前市面上使用的單片機(jī)主要有51 系列和89 系列，相對(duì)于51 系列，單片機(jī)89 系列的單片機(jī)編程高壓更低，內(nèi)部配件也更加全面，因此選擇了單片機(jī)功能更多、選擇更多的STC89C52 單片機(jī)作為核心主控芯片。

STC89C52 單片機(jī)是一種具有較低功能損耗、容易編程、操作簡(jiǎn)單的高性能8 位單片機(jī)。其片內(nèi)有可擦除一萬(wàn)次的制度程序存儲(chǔ)器，擁有40 個(gè)功能強(qiáng)大的引腳，功能各不相同，在實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)功能時(shí)，將這40個(gè)單片機(jī)引腳進(jìn)行靈活編程、活泛運(yùn)用，劃分出具體功能邏輯模塊，實(shí)現(xiàn)各區(qū)域系統(tǒng)不干擾、不沖突。在了解了引腳功能和模塊的大前提下，應(yīng)用了本單片機(jī)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了應(yīng)用設(shè)計(jì)。

單片機(jī)能夠正常工作之后，光照信息的采集也是系統(tǒng)準(zhǔn)確工作的一項(xiàng)重要指標(biāo)，是系統(tǒng)正常工作的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。采集光照的光敏電阻也是保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的一個(gè)重要器件。光敏電阻是一種特殊的可以反映太陽(yáng)能強(qiáng)度的電阻，它主要由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，電阻阻值會(huì)通過光照強(qiáng)度的變化而變化，整體形狀小，方便安裝使用且造價(jià)成本很低，反應(yīng)速度也很快，穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性方面都比較適合本系統(tǒng)。因此本系統(tǒng)采用了光敏電阻GL3516 作為光電檢測(cè)的元器件。而采集到的太陽(yáng)光強(qiáng)信號(hào)是一種模擬信號(hào)，使用ADC0832 作為本系統(tǒng)的A/D 轉(zhuǎn)換芯片，將光照信息轉(zhuǎn)化成單片機(jī)控制模塊可直接運(yùn)算的數(shù)字信號(hào)。通過模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換器來協(xié)同單片機(jī)工作，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的追光控制，采集準(zhǔn)確的光照信息，便于系統(tǒng)開展工作。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

在單片機(jī)程序的編寫開發(fā)中，為了系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)智能追光的功能，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇的是Kеil5 編程軟件。在系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先對(duì)模塊進(jìn)行初始化，開啟對(duì)太陽(yáng)光的自動(dòng)跟蹤，光敏電阻檢測(cè)光照強(qiáng)度后單片機(jī)根據(jù)光敏電阻反饋的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算，進(jìn)入主循環(huán)。當(dāng)進(jìn)入程序開始執(zhí)行后按鍵啟動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行，控制太陽(yáng)能采集板旋轉(zhuǎn)位置和行為方式，通過A/D 轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)執(zhí)行程序，從函數(shù)程序中獲取各個(gè)角度不同的光照強(qiáng)度，根據(jù)不同的信號(hào)分析與邏輯選擇，顯示出4 個(gè)光敏電阻所采集到的東、西、南、北光照值，分別位于LCD 顯示屏的左上、左下、右上、右下。系統(tǒng)的軟件程序是這個(gè)系統(tǒng)的核心部分，總體來看系統(tǒng)將光照信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后通過單片機(jī)控制太陽(yáng)能采集板來實(shí)現(xiàn)追蹤。同時(shí)處理信息驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，使電機(jī)始終靠近光照強(qiáng)度高的位置，如東部的光照強(qiáng)度大于西部的光照強(qiáng)度時(shí)控制東西轉(zhuǎn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)機(jī)向東發(fā)生偏移，通過各個(gè)數(shù)據(jù)傳序。

重復(fù)上序流程，使系統(tǒng)能夠自行判斷各個(gè)位置光照強(qiáng)度的強(qiáng)弱，并根據(jù)反饋信息達(dá)到自動(dòng)控制狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)追光目的。單片機(jī)主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本光伏發(fā)電最大功率智能追光系統(tǒng)將太陽(yáng)追蹤技術(shù)、MPPT 干擾觀察法結(jié)合到單片機(jī)設(shè)計(jì)當(dāng)中，通過光敏電阻采集太陽(yáng)光并對(duì)各個(gè)位置的光照強(qiáng)度進(jìn)行判斷，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)移動(dòng)光伏采集板，能夠有效追蹤太陽(yáng)位置，提升光伏發(fā)電效率。