太陽能光伏追蹤控制系統的研究

王 瑜，傅明星

（陜西理工學院 機械工程學院，陜西 漢中 723003）

0 引言

能源問題在當今世界已經成為社會關注的一個焦點問題，然而地球上所采集的太陽能非常巨大，照射在地球上約40min的太陽能便可供全球人類一年的能量消費，所以太陽能是取之不盡、用之不竭的能源［1］。而且太陽能絕對綠色、環保，可再生而且分布廣泛，因此太陽能具有非常廣闊的利用前景，被譽為最理想的能源之一［2］。通過對太陽運動規律的解讀，本文闡述了改進光伏跟蹤系統的機械結構部分、控制部分及其控制原理、系統整體軟件的設計，從而提高了太陽能光伏自動追蹤控制器系統的太陽能利用率。

1 光伏跟蹤系統方案及框架思路

1.1 太陽運動的規律

地球極軸和黃道天球極軸存在一個23°27′的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。冬至時這個角為-23°27′，并逐漸增大；而到春分時變為0°，并繼續增大；夏至時赤緯角最大為23°27′，并開始減??；而到秋分時赤緯角又變為0°，并繼續減小，直到冬至，另一個變化周期開始［3］。太陽的方位角隨時間在不停地變化，具體規律如圖1所示［4］，圖中α為高度角，γ為方位角。

1.2 方案設計

目前，太陽追蹤方式很多，比如時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式及用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置［5］。本文研究的太陽能光伏自動跟蹤系統是機電一體化設備的典型案例，相比較而言，采用集成度高、體積小、可靠性好、控制功能強和低電壓、低功耗、易擴展并且具有優異的性能價格比的單片機控制系統去實現太陽能光伏自動跟蹤系統的控制是較好的選擇。而基于單片機的太陽自動追蹤系統有很多，比較常見的有光電檢測追蹤方式和視日運動軌跡追蹤方式，本文研究的方法是綜合兩種跟蹤方法的優點、改善它們的缺點，并把兩者有機地結合起來，采用視日運動軌跡追蹤方式和雙軸高度角、方位角式跟蹤，因為理論上太陽光線的入射角可以為0°，實現全日跟蹤，使得系統更加穩定，大大提高了太陽能的利用效率［6］。

圖1 太陽位置隨時間變化示意圖

（1）光電跟蹤：常見的光電跟蹤是采用一級傳感器跟蹤方式，該跟蹤系統原則上由3大部件組成：位置檢測器、控制組件和執行機構（步進電機）。位置檢測器主要由性能經過挑選的光敏傳感器組成，如光敏二極管、光敏電阻等?？刂平M件主要接收從位置檢測器發來的微弱信號，經放大后送到執行機構，執行機構實為跟蹤裝置的動作原件［7］。

（2）視日運動軌跡跟蹤：視日跟蹤是根據太陽在天空中的運行軌跡隨著每天的時間和日期的周期性變化得來的，用51單片機來控制跟蹤的方案，可以根據太陽角度與時間的對應關系來控制雙軸電機驅動系統，從而使得實驗板與太陽光線保持垂直［8］。不論是采用極軸坐標系統還是地平坐標系統，太陽運行的位置變化都是可以預測的，通過數學上對太陽軌跡的預測可完成對日跟蹤［9］。

綜上，從產品可靠性角度以及性價比角度考慮，本設計選擇視日跟蹤與光電跟蹤相結合的方法，在跟蹤太陽光線的過程中以時間程序控制為主線，能夠自動更正不同時間的位置坐標，跟蹤控制線始終維持太陽能板正對太陽，完成精確的太陽定位。

1.3 系統框架

該光伏跟蹤系統分機械部分和控制部分。

（1）機械結構主要包括底座、兩個電機、兩個主軸和太陽能板等。當光線發生偏離時，控制部分發出控制信號驅動兩個步進電機分別帶動兩個軸共同工作實現對太陽的跟蹤［10］。理想情況下的太陽能跟蹤裝置示意圖如圖2所示。

圖2 太陽能跟蹤裝置示意圖

（2）控制部分主要由時鐘控制及顯示部分、單片機系統和電機驅動電路組成。系統以時間程序跟蹤為主線進行太陽能板位置定位，實現對太陽能板的精確追蹤［11］。

2 光伏跟蹤控制系統工作原理

該裝置為雙軸跟蹤系統，豎直軸可實現方位角的跟蹤，水平軸可實現高度角跟蹤［12］。機械結構主要包括底座、主軸、齒輪和軸承等。太陽能板采用直板式。

本系統每個模塊之間通過核心單元連接，并通過一系列的數據處理得到相應的控制信號，外圍驅動將控制器發出的控制信號進行合理的轉換，從而帶動電機使整個系統運作［13］。整個系統采用了15V和5V兩種電源進行供電，其中5V電源是15V電源經過相應的濾波、穩壓而形成的，供電電源只需滿足電機轉動時所需的最大電流，即可保證系統的各模塊正常工作。其控制部分原理框架如圖3所示。

光伏板的自由度是2，控制機構將分別從東西與南北方向對太陽能板進行調整，將東西方向168.75°劃分為若干等分；單片機以DS1302時鐘芯片作為計時單元，根據時間等間隔地控制步進電機的旋轉，主軸電機步距角為1.8°，采用Tb6560芯片將控制脈沖進行16細分，實現小角度的旋轉；設定的時間是從早晨6：00開始跟蹤太陽光線，到晚上18：00時沿X軸方向的電機反轉到早晨太陽升起的地方，將12個小時劃分為1 600個等分，時鐘芯片以秒為單位，每隔27s向電機驅動模塊發送轉動脈沖，使電池板沿X軸方向正向轉動一定角度（0.112 5°），如圖4所示，使得跟蹤更加準確可靠，提高了太陽能的利用效率［14］。

圖3 控制部分原理框架

圖4 東西方向追蹤示意圖

3 系統整體軟件設計

根據所選系統硬件及機械裝置進行了系統軟件的整體性設計，軟件起始為系統初始化，根據時鐘模塊所決定的時間大小進行計算，得到本時刻太陽所正對的直射角度，程序通過相應的計算與轉化以實現跟蹤器的角度對準［15-19］。具體的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

可見：用時間的方法控制東西方向電機進行正反轉控制，進而實現太陽能板對太陽光線跟蹤的控制，使得太陽能板能夠準確定位。

4 總結

本文所研究的太陽能光伏自動跟蹤系統是以51單片機為基礎，全過程全方位時間控制為依托，再聯合機械裝置完成對太陽光線的跟蹤，確保了太陽能板始終與太陽光線垂直，完成了跟蹤任務。它具有以下特點：

（1）采用51單片機控制，主線以時間控制為主，實現太陽能板位置的按時定位；判斷太陽所在的位置并進行跟蹤?？刂齐姍C的正反轉，跟蹤精確，實現簡單。

（2）機械部分做了一個簡易的模型，可以從東西和南北兩個方向來確定太陽能板的位置，機械部分的模擬形象且能實現較為精確的太陽能板的定位。

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