高精度太陽能聚光雙軸定時跟蹤控制系統設計

汪春華，王曉麗，李 彬

（1.西安航空技術高等專科學校 電氣工程系，陜西 西安710077；2.洛陽理工學院 電氣工程與自動化系，河南 洛陽471023；3.上海大學 電子與信息工程學院，上海200000）

高精度太陽能聚光雙軸定時跟蹤控制系統設計

汪春華1，王曉麗2，李 彬3

（1.西安航空技術高等專科學校 電氣工程系，陜西 西安710077；2.洛陽理工學院 電氣工程與自動化系，河南 洛陽471023；3.上海大學 電子與信息工程學院，上海200000）

為提高太陽能電池光電轉換效率，設計了不得一種太陽能雙軸全自動聚光跟蹤控制系統，使可以放多個太陽能電池模塊的框架平臺可以跟蹤太陽光旋轉，并保持框架平臺上的太陽能電池與陽光入射角保持垂直，以達到光能的最大獲取率。在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎上，設計出可以同時跟蹤太陽軌跡的二軸框架平臺結構，方位軸和俯仰軸。在考慮晴天和陰天等復雜天氣情況下，設計太陽運行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結合的自適應智能跟蹤方法，全自動地準確跟蹤太陽的位置，跟蹤精度小于0.4°，最大限度的接收太陽能,提高了太陽能光電轉換的效率。

太陽能聚光；光伏組件；高精度跟蹤；伺服控制

太陽能光伏發電作為太陽能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續利用等特點，成為各國競相發展的重點[1]。近年來,隨著太陽電池成本下降,光伏發電已成為太陽能利用中最具活力的領域，而提高光伏發電裝置的轉換效率是進一步利用太陽能、降低成本的重要課題[2]。為了提高光伏發電系統的轉換效率，提高發電系統的發電量，需要提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力。其主要解決途徑是使光伏組件的框架平臺受光面能正對太陽，使相同的輻照條件下比固定安裝的光伏組件能吸收更多的太陽輻射能量[3]。國內外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動跟蹤裝置，成本最低的最佳傾角固定安裝光伏陣列[4]，由于太陽光入射角隨晝夜、季節變化，光伏組件陣列不能充分吸收太陽輻射的能量，且由于光伏組件聚光后產生的高溫，有可能反而造成不必要的損失。

文中在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎上，設計出可以同時跟蹤太陽軌跡的兩軸框架平臺結構。采用太陽軌跡自動跟蹤系統隨時根據太陽的運行軌跡調整陣列表面位置以減小入射角，在相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏陣列更多的太陽輻射能量。在考慮晴天和陰天等復雜天氣情況下，運用太陽運行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結合的自適應智能跟蹤方法，全自動地準確跟蹤太陽的位置，最大限度的接收太陽能,提高了太陽能光電轉換的效率。

1 太陽運動軌跡及平臺框架結構

1.1 太陽運動軌跡

太陽軌跡跟蹤系統的運行原理為：依據天體運行規律，實時計算出太陽對應于當地時間、經度、緯度的與水平面相對的方位角和俯仰[5]，進而通過電機驅動框架平臺按照確定的角度運行，以使光伏組件正對太陽光的最強點。

在太陽能利用文獻中有大量的文獻[6-7]，涉及太陽位置的算法上述算法有些簡單，有些復雜。但無論算法的簡單與否，最終均需計算出太陽的赤緯角、當地太陽時角，并以此為變量，利用球面三角公式或矢量法計算太陽視位置的地平坐標（方位角、俯仰角）。太陽位置地平坐標計算通用公式如下所示：

其中，el是太陽高度角；az是太陽方位角；δ是太陽赤緯角；ω是太陽時角；φ是當地緯度。

由以上公式可知，太陽赤緯角、太陽時角的估算與太陽位置的計算密切相關，其估算精度直接影響太陽位置的計算精度。其中太陽赤緯角δ是太陽光線與地球赤道的夾角（以北為正）。一年內，太陽赤緯角在之間變動。要確定某一天的太陽赤緯角，可以利用下面的公式來進行近似的計算：

其中，DAY為式中：DAY為從1月1日起，到該天的天數。

由于外界自然環境復雜多變，天空中飛起的樹葉或生活垃圾，以及云層的運動都會對傳感器檢測造成干擾，使跟蹤器產生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。

1.2 平臺框架結構

全自動太陽能聚光跟蹤控制系統主要分為太陽能電池模塊框架平臺和太陽能自動跟蹤控系統。太陽能自動跟蹤系統主要用于驅動太陽能電池板框架。早晨太陽升起，太陽能電池板框架由初始位置自東向西自動跟隨太陽相對運動的方向，按間歇方式分段轉動，從而使光伏發電系統的太陽能電池板框架保持在較大的功率輸出狀態。日落后，太陽能電池板框架回轉復位至初始位置，并處于休眠狀態。框架的機械部分采用雙軸機械跟蹤定位方式。主要由電池板框架平臺、底座、兩個轉動軸（方位軸、俯仰軸）和直流電機構成。整個太陽能電池板安裝在框架平臺上。跟蹤裝置設計成雙軸機械跟蹤定位系統,可以同時在方位角和俯仰角兩個方向上同時進行位置跟蹤。在驅動電路的作用下可以使電池板框架平臺在水平方向上0～270°和垂直方向上的0～85°自由旋轉，以滿足全天的太陽軌跡跟蹤。太陽能電池板平臺框架示意圖如圖1所示。

2 跟蹤控制系統設計

2.1 系統硬件設計

圖1 太陽能電池板平臺框架示意圖Fig.1 Solar panel platform frame diagram

太陽自動跟蹤控制系統主要由單片機最小系統、傳感器信號處理電路、電機驅動電路等幾部分組成。整個控制系統可以完成如下功能：在設計跟蹤時間內都能正對太陽；夜間自動返回原始工作位置；在轉動機構失效時，使框架平臺停止工作運轉；間歇性工作方式，降低能耗。 單片機選擇的是美國Cygnal公司推出的高性能C8051F020系列單片機，主要考慮到其具有極佳的最小功耗設計環境[8]。聚光跟蹤控制系統硬件組成圖如圖2所示。

圖2 聚光跟蹤控制系統硬件組成圖Fig.2 Condenser tracking control system hardware diagram

2.2 系統軟件設計

全自動太陽跟蹤器具有兩種可自行切換的跟蹤方式：傳感器跟蹤方式和太陽運行軌跡跟蹤方式。傳感器跟蹤方式是通過光電轉換器實時采樣，計算機分析比較太陽光強的變化，從而驅動機械機構實現太陽跟蹤的方式。太陽運行軌跡跟蹤方式是根據當地的地理位置和時間來確定太陽的位置進行跟蹤太陽。在本系統里，這兩種方式自行切換，互相配合，實現了高精度的全天候太陽的自動跟蹤。

需要說明的是，系統初始化模塊在整個系統的設計過程中是非常重要的。它主要完成兩個功能：系統的資源配置和平臺框架基準位置的搜索。確定平臺框架的基準位置是十分必要的。在系統運行過程中，偶爾的掉電是可能的。系統再加電時會因無法確定當前平臺框架的位置，而產生嚴重的錯誤；另外，日落后系統需要按原路線返回至基準位置，以避免電纜的纏繞和減小因平臺框架的加工精度而產生的誤差累積，這也要求系統必須有一個可以確定的基準位置。

3 設計應用與結果分析

圖3 聚光跟蹤控制系統軟件流程圖Fig.3 Concentrator tracking control system software flow

太陽能聚光雙軸定時跟蹤控制系統的現場運行為：測試時間為2010年12年某日，地點在我國南方某市。經過現場安裝調試和多次重復測試，測試結果如表1所示。當天氣晴好時，跟蹤控制系統可以跟蹤太陽軌跡。從實驗結果分析可行，此全自動跟蹤控制系統精確度和穩定性能夠很好地滿足野外現場高精度對太陽軌跡跟蹤的實際。但是，對于控制系統的全方面測試和防雨水、防風、防雷擊等等的試驗任務，還需要進一步的開展研究。

表1 跟蹤控制系統誤差表Tab.1 The errors of tracking control system

4 結束語

文中在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎上，進行了基于單片機C8051F020的高精度雙軸全自動太陽能聚光跟蹤控制系統軟硬件設計，不僅可以實現大范圍高精度的跟蹤太陽軌跡，而且即便遇到多云天氣跟蹤系統也能安全可靠的運行，提高了太陽能光電轉換的效率[9]。現場安裝調試和多次重復測量的結果表明本文采用方法正確，可靠。同時，對于控制系統的全方面測試，目前已經論證充分且經過實驗室試驗，正在進一步的開展現場應用研究過程中。

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[9]李長敏.基于壓力變送器及智能儀表的箱壓自動控制技術[J].火箭推進，2011（1）:57-60.

LI Chang-min.Automatic control technology of tank pressure based on pressure transmitter and intelligent instrument[J].Journal of Rocket Propulsion，2011（1）：57-60.

High-precision dual-axis solar concentrator tracking control real-time system

WANG Chun-hua1， WANG Xiao-li2， LI Bin3
（1.Department of Electrical Engineering,Xi’an Aerotechnical College,Xi’an710077,China;2.Department of Electrical Engineering and Automation,Luoyang Institute of Science and Technology Luoyang471023,China;3.School of Electronics and Information Engineering,Shanghai University,Shanghai200000,China）

For improving the conversion efficiency of solar battery module,the high-precision two-axis autonomous solar spotlight tracking control system is designed.The framework platform which places multiple solar battery modules can track the sun rotating,and maintain perpendicular to the sun to achieve the solar battery modules maximum access rate of light energy.Referring to the tracking model of the sun,the two-axis tracking framework platform structure is designed which can track the sun simultaneously,at the azimuth axis and the pitch axis.With considering the complex weather conditions of sunny and cloudy,etc.,the sun tracking mode employs adaptive intelligent combination method of tracking mode by optical sensors and accurate tracking the location of the sun by calculations,the tracking accuracy is less than 0.4°to the maximum receive the solar energy,and improve the efficiency of photovoltaic conversion of solar energy.

solar concentrator； solar battery module； high-precision tracking； servo control

TP273

A

1674－6236（2012）04-0088-03

2011-12-30 稿件編號：201112162

國家科技型中小企業技術創新基金（09C26224124722）

汪春華（1981—），男，四川廣元人，碩士。研究方向：控制理論及應用。