應用于聚光光伏系統的高精度跟蹤器的研究

■ 盛飛 呂輝* 官成鋼

(1. 湖北工業大學太陽能高效利用湖北省協同創新中心；2. 湖北工業大學理學院；3. 武漢凹偉能源科技有限公司)

0 引言

自第三代多結聚光太陽電池出現以來，雖然單個太陽電池的光電轉化效率不斷有所提升，但是要提高整個光伏系統發電效率，聚光模組受光面垂直于太陽光照方向的精確度是其關鍵所在[1-2]。為此，本文設計一種具有高精度、高穩定性、低成本的太陽能跟蹤器應用于聚光發電模組，在一定程度上提高太陽能量接收效率，從而提高整個光伏系統發電效率。

1 太陽能自動跟蹤器的設計及工作原理

1.1 自動跟蹤器的結構設計

本設計結構選用4片LXD1010CE硅光電池，應用于自動跟蹤器外部四象限分布；4片BH1603FVC光敏傳感器芯片應用于自動跟蹤器內部四象限分布[3-4]；內外傳感芯片分布相互對應，其分布情況如圖1所示。

1.2 自動跟蹤器的工作原理

如圖1所示，在太陽光照下，外罩對應面上的兩片硅光電池受太陽光照射產生光感電流，經過電子控制系統轉化、放大、濾波及比較運算處理，從而驅動步進電機使跟蹤器向光感電流大的方向移動，使得外罩對應兩片硅光電池產生光感電流值大致相等。這時，太陽光基本上由頂部圓孔進入罩內并照射到與外罩對應方向的內部光敏傳感器芯片(或受部分光照)；同時，電子控制系統從采集外部光感電流自動切換到采集內部光敏電流，經過電子控制系統分析處理并驅動步進電機使跟蹤器向光敏電流小(或無)的方向移動，使得對應方向光敏傳感器產生的光敏電流值基本相等[5-6]。

圖1 太陽能自動跟蹤器俯視圖和側面橫截面圖

前半部分稱為自動跟蹤的粗調制過程，目的是為了在罩內無任何光線的情況下可確定太陽大致方位；后半部分稱為自動跟蹤的精調制過程，設置頂部圓孔目的是為了避免白天光線的衍射光照影響跟蹤器的精度，在有太陽光照的情況下，圓孔邊緣輪廓很清晰地投影于四象限光敏傳感器芯片外邊緣。通過編程設置相應的轉化光電壓閾值，使得粗調制與精調制在CPU的處理下自動切換，并驅動電機運轉，實時采集數據，以達到對太陽方位精確定位的目的。

2 電子控制系統設計

依據上述結構和工作原理，電子控制系統采用32位RISC架構ARM7TDMI內核處理器ADuC7022為主控芯片，系統硬件結構框圖如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構框圖

系統控制硬件的設計重點在于光電信號處理、電源供電及執行層電路的設計。硅光電池將太陽光照轉化為電流信號，經過AD8615等放大、濾波操作處理轉化為CPU的ADC模塊能識別的電壓信號，經處理后利用其PWMTRIP模塊實現對L298P電機驅動芯片的相應拐角使能，以達到對步進電機的高精度控制。L298P最高工作電壓可達46 V，電流瞬間峰值可達3 A，持續工作電流為2 A，完全可保證步進電機正常供電。當然，產生的PWMTRIP信號不能直接接到L298P上，須經過芯片PS2705進行光耦隔離，避免電機線圈產生電感干擾整個電路網絡。系統利用7022的I2C模塊實時讀取DS3231時鐘芯片，完成實時數據的計算和處理。通過RS232芯片與CPU通信，可完成對系統的軟件控制。

軟件編程方面，系統的工作時間為07:00～17:00，復位時間為06:00～06:30，其他時間處于休眠狀態。在工作時間且有光照時，電子控制系統才開始進行粗、精跟蹤的切換工作，以達到對太陽方位的精確定位。隨時間的推移，對CPU實時采集光感芯片產生的數據進行對比，形成一種閉環主動跟蹤太陽的工作模式[7-8]。工作中，當四象限采集數值突然變得很小或沒有時，可能受空中漂浮物干擾或變天而使光照陡然減弱的影響，此時系統自動切換為外部粗跟蹤重新開始太陽方向定位。其軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3 軟件控制流程圖

3 太陽能自動跟蹤器精確度誤差分析及測試

3.1 四象限光感芯片選取分析

太陽的輻射能量主要集中在200～1400 nm的光譜范圍內，能到達地球的太陽輻射較集中在短波譜范圍。本設計使用的四象限硅光電池片的光譜響應范圍在360～1100 nm[9]，比較符合到達地球的太陽輻射光譜，所以，我們選用LXD1010CE型硅光電池片和BH1603FVC光敏傳感器作為跟蹤器的光感芯片。四象限硅光電池的響應一致性直接影響到跟蹤器跟蹤精度和穩定性，所以，為了得到四象限對均勻光入射時的響應一致性，我們做了類似于QP50-6-TO8探測器的檢測試驗[10]，篩選出同一四象限內對應方向產生光電流及通過I-V轉換電路輸出電壓信號一致性的光感芯片，可有效降低相同狀況下產生不可避免的誤差。圖4為來自不同公司芯片Datasheet中的光電流與太陽均勻光照一致性數據圖。

圖4 兩款光感芯片光電流的一致性

在數據傳輸過程中，應盡量減少數據線的長度和增強硬件電路可靠性來提高數據傳輸效率，使數據的采集與步進電機運轉盡量達到同步，最終提高整個系統運作的精確度與穩定性。當然，系統中不免有些難以消除的影響因素，難免會產生相應誤差。

3.2 長筒測量儀的誤差分析

自動跟蹤器的跟蹤精度是由內部四象限精跟蹤決定的。硅光電池與光感芯片的靈敏度固定，所以要提高跟蹤精度只能從其設計結構入手。自動跟蹤器的結構如圖1所示，其外圓直徑為7.5 cm，頂部圓孔直徑為2 cm，內部四象限光感芯片(尺寸2.6 mm×1.6 mm×0.75 mm)平面到頂部圓孔垂直距離為7.5 cm。針對如何確定跟蹤器跟蹤精度的有效性，我們運用長筒測量儀來直觀表現。

長筒測量儀頂部入射光孔(直徑4 mm)到底部投影圓心的垂直距離為H=56 cm，長筒測量儀的底部是由光刻的同心圓環組成的平面，中心圓環直徑R約為4.98 mm，往外依次直徑為5.95 mm、7.91 mm、9.86 mm、11.82 mm(按照四舍五入取值)的圓環分布。依據直角三角形的正切計算，其入射誤差角θ為：

經過計算，其太陽光照垂直分辨率(誤差角θ)依次為 0.05°、0.1°、0.2°、0.3°、0.4°，具體分布情況如圖5所示。

圖5 長筒測量儀底部精確度表盤分布圖

在對太陽方位的實際跟蹤過程中，將跟蹤器底部與長筒測量儀底部置于同一水平面上，并與聚光發電模組受光面平齊。經過反復試驗與測量記錄，跟蹤器正對太陽方位的情況下，長筒頂部入射光孔在底部同心圓環的投影始終處于中心圓環內部，單個聚光發電模塊的發電功率也明顯增大，即跟蹤器的跟蹤精度達到了預期，其跟蹤誤差為±0.05°。跟蹤器的實際跟蹤情況如圖6所示。

圖6 太陽能自動跟蹤器精確對準太陽方位實物圖

4 結論

本文設計了一種高精度的太陽能自動跟蹤器。通過改進原有跟蹤器中光敏元器件及分布結構，加上穩定性高的硬件電路和可靠的軟件程序綜合控制，并結合高精度檢測偏斜角度的長筒測量儀，明顯驗證了自動跟蹤器對太陽方位確定的跟蹤精度。通過實踐驗證，的確具有非常好的跟蹤效果，在太陽光照達到一定強度時其跟蹤精度可達0.05°，成本相對較低，跟蹤器的穩定性也比較可靠。配合具有菲涅爾透鏡的多結聚光發電模組，使光伏發電系統整體效率大為提高，具有較高的實際應用價值。

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