光伏發(fā)電雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張相明，鄧 瑋，關(guān)煥新，金月新

(沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

光伏發(fā)電雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張相明，鄧 瑋，關(guān)煥新，金月新

(沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

太陽能光伏電池陳列的發(fā)電量與光線入射角角度有關(guān)，光線與光伏陣列平面垂直時(shí)發(fā)電量最大。采用太陽自動(dòng)跟蹤的方式，使太陽能電池板始終保持與太陽光垂直，可大大提高光伏陣列的發(fā)電量。采用光感跟蹤與時(shí)間跟蹤相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了全天候太陽方位跟蹤控制系統(tǒng)，系統(tǒng)功能包括檢測(cè)、跟蹤控制方式轉(zhuǎn)換及雙跟蹤方式的控制。該雙軸跟蹤系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、精度高的特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

光伏發(fā)電;光感自動(dòng)跟蹤;時(shí)間跟蹤;跟蹤控制

為了提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力，目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)研究主要集中在最佳傾角固定安裝和傳感器跟蹤裝置［1］。光伏陣列最佳傾角固定安裝成本最低，但由于太陽光入射角的變化，光伏陣列不能高效吸收太陽輻射能量，性價(jià)比較低。

傳感器跟蹤 (光感跟蹤)是利用光電傳感器檢測(cè)太陽光是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽光偏離電池板法線時(shí)，傳感器發(fā)出偏差信號(hào)，使光伏陣列重新垂直對(duì)準(zhǔn)太陽光。這種跟蹤方式全部跟蹤信號(hào)均來自傳感器，系統(tǒng)無需起始定位，只要有陽光，系統(tǒng)就會(huì)在180°范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤。傳感器跟蹤方式的優(yōu)勢(shì)是精度和靈敏度較高，缺點(diǎn)是受天氣影響大，有云時(shí)則無法追日跟蹤。自動(dòng)跟蹤裝置隨時(shí)根據(jù)太陽的運(yùn)行軌跡調(diào)整陣列表面角度，在相同的輻照條件下吸收比固定安裝方式更多的太陽輻射能量。但由于太陽能發(fā)電系統(tǒng)的長(zhǎng)期工作、氣候條件的多變性、復(fù)雜性，使傳感器分辨率降低，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)經(jīng)常性動(dòng)作，浪費(fèi)電能，造成系統(tǒng)損壞，降低了發(fā)電效率［1］［2］［3］。

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤 (時(shí)間跟蹤)是根據(jù)太陽實(shí)際運(yùn)行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置跟蹤太陽。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r(shí)跟蹤，單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角作季節(jié)性調(diào)整，雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個(gè)方向跟蹤太陽軌跡。

本文利用太陽輻射模型和單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)了一種視日運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的控制系統(tǒng)，不僅僅依賴于傳感器，系統(tǒng)能夠在任何復(fù)雜天氣情況下工作，最大限度地接收太陽能，提高光伏發(fā)電效率;同時(shí)考慮一年四季中日出日沒時(shí)角的變化，利用單片機(jī)自動(dòng)計(jì)算工作起止時(shí)間。另外，設(shè)置了休眠狀態(tài)，節(jié)省了電能，有利于實(shí)際應(yīng)用。

1 太陽輻射模型

太陽在天球上的位置每時(shí)每刻都有變化，其位置的確定常用赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系從不同角度來表示。

赤道坐標(biāo)系是把地球上的經(jīng)、緯度坐標(biāo)系擴(kuò)展至天球，在地球上與赤道面平行的緯度圈，天球上稱為赤緯圈;在地球上通過南北極的經(jīng)度圈，天球上稱為時(shí)圈。用赤緯角δ和時(shí)角Ω表示太陽的位置。時(shí)角是指太陽所在的時(shí)圈與通過南點(diǎn)的時(shí)圈構(gòu)成的夾角。從天球北極看，順時(shí)針方向?yàn)檎鏁r(shí)針方向?yàn)樨?fù)。時(shí)角表示太陽的方位，因?yàn)樘烨蛟?4 h內(nèi)旋轉(zhuǎn)360°，所以每小時(shí)旋轉(zhuǎn)15°。

地平坐標(biāo)系是以地平圈為基圈，用太陽高度角hs和方位角As來確定太陽在天球中的位置。太陽高度角是指太陽直射光線與地平面間的夾角。太陽方位角是指太陽直射光線在地平面上的投影線與地平面正南向所夾的角，通常以南點(diǎn)S為0°，向西為正值，向東為負(fù)值［4］。

根據(jù)以上的定義，某地在夏至日的方位角是一年中的最大值，冬至日是一年中太陽高度角最小值。知道了這兩個(gè)特殊日子的太陽高度角和方位角，就能夠知道一年中太陽光線對(duì)該地的覆蓋情況。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)太陽輻射計(jì)算原理，設(shè)計(jì)的單片機(jī)控制系統(tǒng)硬件電路，如圖1所示。

采用操作性很強(qiáng)的51系列單片機(jī)89C52，作為中央處理器，外接存儲(chǔ)器，用來存放當(dāng)?shù)鼐暥鹊饶Ｐ蛥?shù)及中間計(jì)算變量。由式 (5)計(jì)算當(dāng)天日出時(shí)刻，由單片機(jī)發(fā)出控制指令，控制驅(qū)動(dòng)電路使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生固定步進(jìn)角，顯示、鍵盤電路用來設(shè)置控制參數(shù)。

圖1 控制系統(tǒng)框圖

光電傳感器中的光電二極管的光照特性可以近似地看作是線性關(guān)系。將光檢測(cè)部分做成四象限結(jié)構(gòu)，在每個(gè)象限安裝一個(gè)光電二極管，電路的連接是先計(jì)算相鄰象限信號(hào)的和，再計(jì)算差［5］。

為確保光伏發(fā)電裝置在大風(fēng)條件下不被吹壞，控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了風(fēng)速傳感器模塊。風(fēng)速傳感器輸出脈沖信號(hào)，程序進(jìn)入高速脈沖中斷響應(yīng)子程序，光伏陣列自動(dòng)放平，大風(fēng)過后8 min則恢復(fù)自動(dòng)跟蹤。

太陽能電池板有兩個(gè)自由度，控制機(jī)構(gòu)將分別對(duì)X、Y兩方向進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)到兩端的極限位置時(shí)，由于跟蹤裝置安裝了限位觸感器，到限位觸點(diǎn)時(shí)自動(dòng)切斷脈沖輸出，電動(dòng)機(jī)停止動(dòng)作，該功能起硬件保護(hù)作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本文中太陽能雙軸跟蹤控制器，采用了時(shí)控與光控相結(jié)合的控制方式。采用四象限光敏電阻對(duì)太陽高度角和方位角檢測(cè)，檢測(cè)精度可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)整。跟蹤器在天氣晴好、太陽不受遮擋的情況下，采用光控跟蹤方式;在陰雨天等光照度不足時(shí)，采用高精度太陽位置算法，根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度和時(shí)間，準(zhǔn)確計(jì)算出太陽的實(shí)際位置進(jìn)行跟蹤。跟蹤器的光控與時(shí)控方式互為補(bǔ)充、自動(dòng)切換，在保證高精度跟蹤的同時(shí)，不受陰雨天氣的影響。在天氣由陰轉(zhuǎn)晴時(shí)，立刻將太陽光能采集過來，實(shí)現(xiàn)了最高效率的太陽能跟蹤。跟蹤控制系統(tǒng)采用高性能單片機(jī)控制，精確可靠，使用方便，抗干擾能力強(qiáng)。同時(shí)系統(tǒng)具有風(fēng)載保護(hù)接口，支持外接風(fēng)速傳感器，能夠隨時(shí)控制系統(tǒng)進(jìn)入機(jī)械最大抗風(fēng)狀態(tài)。

跟蹤系統(tǒng)具備如下功能特點(diǎn):

a. 全自動(dòng)跟蹤功能，無需人工干預(yù)調(diào)試;

b. 光控與時(shí)控跟蹤誤差按照實(shí)際需求可調(diào);

c. 光控與時(shí)控自動(dòng)切換，光照度強(qiáng)時(shí)自動(dòng)切換至光控狀態(tài)，光照弱時(shí)自動(dòng)切換至?xí)r控狀態(tài);

d. 良好的環(huán)境適應(yīng)性，不受陰雨天干擾;

e. 根據(jù)經(jīng)緯度及時(shí)間，采用高精度太陽位置算法準(zhǔn)確計(jì)算當(dāng)?shù)靥栁恢?

f. 抗風(fēng)設(shè)計(jì)、夜晚自動(dòng)放平至初始位置;

g. 方位角跟蹤角度為120°;高度角跟蹤角度為56°，方位角及高度角跟蹤范圍可調(diào);

h. 留有手動(dòng)控制模式，可人工調(diào)整跟蹤角度。

跟蹤模式的控制過程完全由軟件實(shí)現(xiàn)，可以對(duì)不同的地區(qū)和不同的氣候進(jìn)行調(diào)整，以提高光伏電站的發(fā)電效率。控制系統(tǒng)程序流程圖如圖2所示。

圖2 跟蹤控制系統(tǒng)程序流程圖

時(shí)間跟蹤單元根據(jù)設(shè)定時(shí)間及位置參數(shù)，計(jì)算相對(duì)太陽實(shí)時(shí)方位，按照系統(tǒng)設(shè)定時(shí)間隔，定時(shí)向控制單元發(fā)送參數(shù)信息。光感跟蹤單元根據(jù)光感位置發(fā)送來的太陽光的參數(shù)，計(jì)算太陽實(shí)時(shí)方位，按照時(shí)間單元設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)向控制單元發(fā)送參數(shù)信息。控制單元根據(jù)時(shí)間跟蹤單元或光感跟蹤單元發(fā)送來的參數(shù)信息向傳動(dòng)及支撐裝置發(fā)送指令。

圖3為控制系統(tǒng)電路按鍵功能說明。

控制程序采用了C語言編程。表1為本文中主要功能函數(shù)定義表。

圖3 控制系統(tǒng)按鍵功能

表 主要功能函數(shù)

4 結(jié)論

本文介紹了雙軸太陽能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)晝夜，實(shí)時(shí)跟蹤太陽。以89C52單片機(jī)作為控制器，計(jì)算出太陽的實(shí)時(shí)位置并轉(zhuǎn)化為脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤裝置跟蹤太陽。全天候太陽方位跟蹤控制系統(tǒng)能及時(shí)根據(jù)天氣狀況對(duì)太陽方位跟蹤方式進(jìn)行控制和選擇，將光感跟蹤與時(shí)間跟蹤方式合理地結(jié)合，以調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行方式，降低了系統(tǒng)運(yùn)行能耗。系統(tǒng)采取了抗風(fēng)保護(hù)等功能，保證太陽跟蹤系統(tǒng)在惡劣天氣條件下安全運(yùn)行。該自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確性高，可靠性強(qiáng)，提高了太陽能的利用效率。

［1］ 樊國(guó)梁，張曉燕.定時(shí)跟蹤太陽時(shí)角提高光伏發(fā)電效率［J］.內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版)，2010，41(1):116-119.

［2］ 舒志兵，湯世松，趙李霞.高精度雙軸伺服太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)用［D］.2010智能檢測(cè)與運(yùn)動(dòng)控制會(huì)議論文，2010，31-33，73.

［3］ 左云波，徐小力，白廷柱，等.全天候太陽方位跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.可再生能源，2011，29(1):86-89.

［4］ 王國(guó)安，米鴻濤，鄧天宏，等.太陽高度角和日出日落時(shí)刻太陽方位角一年變化范圍的計(jì)算［J］.氣象與環(huán)境科學(xué)，2007，30(B09):161-164.

［5］ 吳小雨，王開寶.光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.機(jī)械工程師，2009(1):129-130.

Design of Automatic Dual Axis Tracking Control System in PV

ZHANG Xiang-ming，Deng Wei，GUAN Huan-xin，JIN Yue-xin
(Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China)

The generating capacity of the Solar Energy Photovoltaic Cell arrays is associated with the incidence angle of the sunlight.The power generation is the largest when rays being perpendicular to the planes of photovoltaic arrays.Adapting automatic tracking techniques could always make solar panels perpendicular to sunlight.So it has increased the generating capacity of the Solar Energy Photovoltaic Cell arrays greatly.A new tracking method which combined the photovoltaic tracking method and time tracking method was presented by this article and an all-weather control system for sun tracking was designed.The system includes the detect device，the switching control module and two-tracking control modules.The dual axis tracking system has many advantages，such as a simple structure，good stability，high accuracy，which is helpful to its spread and popularity in applied prosepct.

Photovoltaic generation;Photovoltaic automatic tracking;Time tracking;Tracking control

TM615

A

1004-7913(2013)03-0048-03

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (60972164)

張相明 (1973—)，男，工程師，主要從事太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)集成方面的研究工作。

2012-11-30)