高精度太陽能跟蹤控制器

王小鑫， 胡紅利， 王 博

(1.西安交通大學電力設備電氣絕緣國家重點實驗室，西安 710049;2.中煤科工集團西安研究院，西安 710077)

0 引言

隨著各種能源問題和環(huán)保問題日益突出，人們對太陽能等新能源的開發(fā)利用越來越重視。如何提高太陽能利用率一直都是光伏發(fā)電應用中面臨的主要難題之一［1－2］，光伏發(fā)電系統(tǒng)中，當電池板垂直于太陽入射光線時，發(fā)電效率才能較高。太陽能跟蹤器就是能夠保持太陽能電池板隨時正對太陽，使太陽光的光線隨時垂直照射太陽能電池板的動力裝置。

為了提高太陽能的利用率，本文提出一種基于可編程邏輯控制器PLC的固定軌跡粗略跟蹤與光電傳感器精確跟蹤的雙模式太陽能跟蹤控制器。其中，固定軌跡跟蹤方式是使跟蹤裝置的控制器根據(jù)相關(guān)的公式和參數(shù)計算出白天太陽的位置，再轉(zhuǎn)化成相應的脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動伺服電機實時跟蹤太陽。光電傳感器精確跟蹤控制是由普通光電傳感器和4組暗激發(fā)光控開關(guān)電路實現(xiàn)，精確地跟蹤太陽光信號的最強點，提高太陽光能的利用率。

1 太陽能跟蹤器工作原理

太陽的光照強度是隨著天氣變化而實時變化的，當光照強度較好時，光電傳感器對光線比較敏感，此時選用自動追蹤模式(即光電跟蹤);當天氣不好、光照強度比較弱時，漫反射的加重對光電傳感器產(chǎn)生很大的干擾，這種情況下選用固定跟蹤模式。圖1所示為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，本系統(tǒng)采用雙軸跟蹤，利用高度角－方位角式跟蹤，采集來的光線數(shù)據(jù)和當?shù)貢r間、位置等信號通過特定的電路進行處理后，輸入帶有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的PLC內(nèi)，經(jīng)過PLC內(nèi)部程序的處理得到太陽位置偏差角度，進而驅(qū)動電機實現(xiàn)對太陽的精確跟蹤。

圖1 太陽能跟蹤器系統(tǒng)硬件圖Fig.1 Solar tracker system hardware

2 太陽能跟蹤器各模塊設計

2.1 光電傳感器跟蹤模塊

光電自動跟蹤模式是使用光電傳感器作為探測元件，實時探測太陽位置并將信號送達核心處理芯片進行處理后來完成對太陽位置的探測和跟蹤［3］。本設計采用一種由金字塔式(如圖2所示)、光筒式(如圖3所示)相結(jié)合的光電傳感器。

圖2 金字塔式Fig.2 Pyramid type

圖3 光筒式Fig.3 Light tube type

金字塔式的原理是利用余弦效應［2］，即光線密度不變，根據(jù)入射角度的不同，兩邊的光敏元件接受到不同的光線能量，輸出不同的電流值，根據(jù)輸出可以判斷出太陽位置并驅(qū)動電動機動作直至輸出電流相同，實現(xiàn)太陽跟蹤。另外，金字塔式光電傳感器還有一個很重要的作用，就是根據(jù)光線的強弱程度判斷天氣情況，繼而選擇不同的跟蹤模式。但是這種結(jié)構(gòu)缺點是精度不夠，易受到外界干擾光的影響。

系統(tǒng)采用的光筒式傳感器是由四組暗激發(fā)時滯繼電器開關(guān)電路(如圖4所示)組成。

圖4 暗激發(fā)光控開關(guān)電路Fig.4 Dark inspire light control switch circuit

其工作原理是:光敏電阻的阻值隨著光照強度的降低而升高，當光照強度低于設定值的時候，運放IC的反相端電位就會升高其輸出激發(fā)VT導通，進而使繼電器工作，常開觸點閉合。把這樣的裝置放入光筒底部的東西南北4個方向各一組，當太陽光線垂直照射到光筒內(nèi)部的光敏電阻上時，4個方向上的繼電器都處于開啟狀態(tài);當光線有一定偏離角時就會造成至少一個光敏電阻接受不到光線或者很弱，其相應的繼電器關(guān)閉。這樣就把電阻模擬信號轉(zhuǎn)化為繼電器開關(guān)量的數(shù)字信號，信號通過PLC設計的比較器比較在一個方向上相應兩個繼電器開閉情況，驅(qū)動電動機向繼電器關(guān)閉的方向轉(zhuǎn)動，直至兩個繼電器狀態(tài)都開啟，完成太陽能光電跟蹤。這種方式比較簡單，對系統(tǒng)的軟件和硬件要求都比較低;由光筒結(jié)構(gòu)提供保護，外界干擾光對其影響比較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性好。但是正因為其屏蔽性好，所以有效檢測角度比較小。

結(jié)合這兩種傳感器的優(yōu)缺點，設計一種以光筒式結(jié)構(gòu)為精確跟蹤組件、金字塔式為粗略跟蹤組件的傳感器，如圖5所示。

圖5 光電傳感器模型Fig.5 Photosensor model

此傳感器可以實時采集信號對系統(tǒng)位置進行調(diào)整，屬于閉環(huán)控制。這種閉環(huán)控制方式，不會受到累積誤差的影響;運算處理簡單，使得系統(tǒng)的成本降低。但是這種工作方式穩(wěn)定性稍差，尤其當天氣不好的時候，漫反射效應會增大，對傳感器的干擾強烈，針對這樣的情況，系統(tǒng)采用固定軌跡跟蹤模式來相對提高其工作效率。

2.2 固定軌跡跟蹤模塊

雖然太陽位置是實時變化的，但是它的運行規(guī)律還是可循的［4］。軟件算法主要根據(jù)太陽的運行規(guī)律計算其實時方位角和高度角，以及太陽能跟蹤控制器的水平角和仰角。利用PLC控制單元按照太陽運行遵循的公式計算得到太陽的實時位置，通過指令使電機驅(qū)動太陽跟蹤裝置，實現(xiàn)太陽實時跟蹤。

如圖6所示，OXYZ為地平坐標系，O為系統(tǒng)所在地點;οxyz為時角坐標系，原點ο為地心;以矢量 I、J、K來表示X、Y、Z方向的單位向量，太陽光線以單位矢量 S 表示;同樣以 i、j、k 來表示 x、y、z方向的單位向量。公式［2］為

圖6 太陽位置計算幾何學模型Fig.6 Geometry model of the sun position

圖中:α為太陽高度角(指太陽光線與地表水平面之間的夾角(0≤α≤90°);γ為太陽方位角(指太陽光線在水平面上的投影和當?shù)刈游缇€的夾角，當太陽在正南方時，γ =0°，正南以西 γ ＞0°，正南以東 γ ＜0°);δ為太陽的赤緯角，隨季節(jié)變化，夏至時 δ=23.5°，冬至時δ=－23.5°;ω為時角，是用角度表示的時間。

對地平坐標系和時角坐標系進行坐標變換［5］，得

其中，φ為當?shù)鼐暥冉牵琁與i的夾角為90°－φ;n為1年中的日期序號，從1月1日開始計數(shù);t為北京時間;令日落、日出時高度角為0°，可以得到［6］

由上午時角大于0°，下午時角小于0°，得到

將得到的日出時角ω1、日落時角ω2代入式(6)可以得到日出時間和日落時間，然后通過PLC指令驅(qū)動電機實現(xiàn)太陽跟蹤。

3 系統(tǒng)設計

太陽能跟蹤裝置主要由太陽能板、圖5所示傳感器、底座、立軸、旋軸、兩臺伺服電機、絲桿導軌等組成，如圖7所示。其中立軸由伺服電機1驅(qū)動，跟蹤太陽方位角的變化;旋軸由伺服電機2驅(qū)動，支撐太陽能電池板繞旋軸作俯仰動作，跟蹤太陽高度角的變化。

圖7 實物圖Fig.7 Picture of the tracker

控制系統(tǒng)根據(jù)要求檢測相關(guān)信號，根據(jù)信號不同做出相應的運算處理，并控制執(zhí)行機構(gòu)做出相應的運動，完成系統(tǒng)的任務。兩種模式的轉(zhuǎn)換及信號的采集和處理都需要用到相應的軟件和硬件來實現(xiàn)，整體設計流程如圖8所示。

圖8 整體設計流程圖Fig.8 The flow chart of overall design

PLC是太陽能控制系統(tǒng)的核心部分，系統(tǒng)擬采用西門子的S7－300系列PLC。其主要優(yōu)點有:可靠性高，抗干擾能力強;軟硬結(jié)合、功能增強、擴展方便;體積小，質(zhì)量輕、能耗低等［7］。在本文中PLC實現(xiàn)了復位、手動控制、電機轉(zhuǎn)動等功能。PLC對采集到的信號進行一定的處理或?qū)潭ǜ櫟乃惴ㄌ幚砗螅刂齐姍C驅(qū)動器完成兩個電機的控制工作，從而帶動太陽能接收板轉(zhuǎn)動，使其可以精確地跟蹤太陽的高度角和方位角。為了節(jié)省資源，系統(tǒng)的工作時間為6:00～18:00，另外有手動控制模塊，主要控制系統(tǒng)開啟、關(guān)閉及電機運轉(zhuǎn)(如方位角和高度角的電機正反轉(zhuǎn));有LCD顯示模塊對太陽位置信號及精確時間進行相應的顯示，方便日出日落的判斷，同時也增加了人機對話等。

4 跟蹤測試結(jié)果

地點:西安(東經(jīng) 108.54°，北緯 34.16°);時間:2011年7月1日，8:00～16:00;天氣:晴。對太陽的高度和方位跟蹤進行測試，其具體測試方法如下:

1)PC機內(nèi)設置當?shù)匚恢煤彤數(shù)貢r間的初始值，即設定當?shù)氐慕?jīng)緯度值和時間;

2)每隔30 min記錄電機轉(zhuǎn)動的角度和時間(例如:8:00 時刻的高度角為 36.39°，方位角為 85.06°)。

圖9為太陽高度角跟蹤測試結(jié)果圖，圖10為太陽方位角跟蹤測試結(jié)果圖。

圖9 太陽高度角跟蹤測試Fig.9 The solar elevation angle tracking test

圖10 太陽方位角跟蹤測試Fig.10 The solar azimuth tracking test

通過分析連續(xù)跟蹤測試，驗證了本文設計的太陽能跟蹤控制器所跟蹤的太陽高度角和方位角精確度滿足要求(小于1°)。

5 結(jié)論

所設計的太陽能跟蹤控制器裝置具有設計合理、制作簡單、成本低、實用性強等特點。經(jīng)過方位角和俯仰角兩個自由度進行跟蹤，跟蹤機構(gòu)運轉(zhuǎn)良好，能夠達到對太陽的精確跟蹤，跟蹤誤差小于1°。針對太陽能利用率的問題，將固定軌跡粗略跟蹤與光電傳感器精確跟蹤有效地結(jié)合起來，取長補短，應對各種復雜的天氣變化，從而保證整個跟蹤系統(tǒng)準確性高、穩(wěn)定性強，提高了太陽能的利用率，推動了太陽能應用的發(fā)展。

［1］ NOH H J，LEE D Y，HYUN D S.An improved MPPT converter with current compensation method for small scaled PV－applications［J］.IEEE IES，2002，2:1113－1118.

［2］ 楊培環(huán).高精度太陽跟蹤傳感器與控制器的研究［D］.武漢:武漢理工大學，2010.

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［4］ 李申生.太陽能物理學［M］.北京:首都師范大學出版社，1996.

［5］ 沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2009.

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［7］ 李中年.控制電器及應用［M］.北京:清華大學出版社，2006.