光伏發電系統太陽方向檢測方法研究

蘭建軍 陳杰輝 李 超

(東北電力大學自動化工程學院，吉林 吉林 132012)

太陽能以其儲備豐富、應用廣泛、綠色環保及經濟等特點備受人們的親睞[1]，但其發電效率受太陽能電池材料及電池加工工藝等條件的制約。相關研究數據表明：在現有太陽能電池材料和太陽能電池制作工藝條件下，如果光伏組件能夠自動跟蹤太陽，其發電效率可比非跟蹤形式提高30%以上。因此，準確跟蹤太陽從而提高太陽能的利用效率是太陽能利用的研究熱點[2～4]，目前主要采用主動跟蹤和被動跟蹤兩種方法跟蹤太陽[5]。主動跟蹤方法采用視日運動軌跡法進行跟蹤，該方法需要明確跟蹤地點的經度和緯度，且跟蹤誤差通常都在±3.00°以上，跟蹤范圍大，但跟蹤精度低[6]；被動跟蹤方法是通過光電檢測太陽的方位角和高度角后進行跟蹤的，該方法利用多個光電傳感器，結合相應的檢測和判斷邏輯來測量方位角和高度角，跟蹤精度可達±1.00°，但跟蹤范圍小[7]。因此可綜合采用主動跟蹤和被動跟蹤兩種方法[8]，先依據視日運動軌跡進行粗跟蹤，然后依據光電檢測進行細跟蹤，跟蹤精度可提高到0.10°，但系統結構和控制程序較為復雜，成本高，且檢測裝置和控制裝置需要配套使用，不具有通用性，在實際應中推廣較難。

為了解決光伏發電中太陽檢測精度低的問題，筆者提出了一種基于線性CCD的太陽方向檢測方法。本方法采用機械裝置對太陽光線進行采樣，利用線性CCD對太陽光線位置進行檢測，然后依據線性CCD的數據計算出表征太陽方向的高度角和方位角。本方法與現有利用CCD對太陽斑點進行圖像檢測的方法相比，無需進行復雜的圖像處理，也不需要進行防曝光處理，同時機械結構簡單，在實際應用中具有明顯的優勢[9～11]，目前國內外尚未有與本方法類似的太陽方向檢測方法的文獻。最后在設計的實驗裝置上對本方法的可行性進行驗證，實驗數據表明，利用本方法進行太陽方向檢測精度可達±0.30°。

1 檢測原理與機械裝置設計①

1.1 檢測原理

圖1為裝置檢測原理示意圖，在一塊不透光的擋光板上設置一個透光縫，由于太陽光線近似為平行光，當透光縫的寬度大于太陽光線波長時，不會發生光衍射現象。如果太陽光線垂直照射擋光板時，穿過透光縫的太陽光線處于陰影的中線位置，當太陽處于不同高度時，穿過透光縫的太陽光線將偏離中線位置。如果能檢測出不同太陽高度產生的光線偏離中線的距離，就可以計算出太陽光線照射擋光板的角度。

圖1 裝置檢測原理示意圖

圖2為太陽光線方向計算原理示意圖，當太陽光線垂直照射透光縫時，在檢測面中心處產生和透光縫寬度d相等的亮條紋。當太陽光線偏離采樣面法線方向α角度時，檢測面上的亮條紋從中心點處移至離中心點x處，x的值可以由線性CCD模塊檢測數據獲取。太陽光線偏離法線角度α的計算式為：

(1)

圖2 太陽方向計算原理

為了保證裝置能夠測量較大的太陽光線偏差角度，要求透光縫的厚度δ應當盡可能的小。

1.2 機械裝置設計

為了實現太陽方向的檢測，設計了太陽光線方向檢測裝置(圖3)。該裝置由一個不透光的密閉采樣容器構成，密閉容器的一側為采樣面，另一側為檢測面。采樣面上設有垂直分布的透光縫，太陽光線通過透光縫進入采樣容器，在檢測面相應位置上得到太陽光線。采樣面的背光面安有線性CCD，可以檢測太陽光線在檢測面上的位置。

圖3 裝置結構示意圖

采樣面上兩條垂直分布的透光縫，一條用于檢測方位角，另一條用于檢測高度角。由于線性CCD只能采樣一維圖像，如果同時測量高度角和方位角就需要設置兩個線性CCD，勢必會增加裝置的成本，同時也使裝置結構變得更復雜，因此在采樣面上設置一個可90°旋轉的舵機，由舵機帶動線性CCD旋轉，從而實現高度角和方位角的同時測量。

2 控制系統設計

2.1 軟、硬件設計

硬件電路主要包含控制器模塊、太陽光線檢測模塊、舵機控制模塊、環境光照檢測模塊和通信模塊(圖4)。控制器模塊以飛思卡爾半導體公司ARM Cortex-M4內核的MK60DN512微控制器為主控器，該處理器內部集成高精度的A/D轉換接口和PWM接口，無需外部擴展就可方便地實現線性CCD數據的采集和舵機的控制；線性CCD選用LORAL公司的CCD111模塊，該傳感器內部包含256個線性排列的光電二極管，每個光電二極管都有各自的積分電路，每個像素所采集的圖像灰度值與它所感知的光強、積分時間成正比，具有非常寬的動態響應范圍，同時和微控制器連接只需3根線；舵機選用MG90全金屬舵機，該舵機具有扭矩大、性價比高的優勢；通信模塊用于將測量的數據向外以數字形式輸出；環境光照檢測模塊用于檢測環境光強度，當光照強度過低時，停止CCD111數據采集工作，同時通過串口模塊向外發送信號，可作為跟蹤裝置停止跟蹤控制信號，環境照度檢測模塊選用TAOS公司的光強數字傳感器TSL2561，提供I2C或者SMBus接口，具有50/60Hz光照波動自動抑制性能。

軟件設計上主要包括主程序和定時器中斷服務子程序兩部分，主程序主要完成單片機的中斷、A/D、I/O口、串口及定時器等的初始化工作。CCD111和TSL2561數據的讀取與處理及角度數據輸出等工作都在定時器中斷服務子程序中完成。

2.2 曝光時間控制

單片機定時采集CCD111的數據，數據經過處理后進行角度計算。由于線性CCD傳感器的曝光時間受環境光照度影響較大，為了保證圖像采集的質量，通常要求在光線較暗的環境中增加曝光時間以保證圖像亮度合適；同時為防止圖像飽和現象的發生，在光線較強的環境中應減少曝光時間。由于太陽光線強度是變化的，為了保證采集的圖像質量，要求CCD111的曝光時間能根據光線條件進行動態調整，因此設計了如圖5所示的曝光時間控制結構，程序實時采集CCD111數據后進行曝光量的偏差計算，根據偏差進行比例調節后確定曝光時間，從而實現曝光時間的自動調整。

圖4 系統電路原理圖

圖5 曝光時間調整示意框圖

2.3 光線位置計算

CCD111的數據來自256個線性排列的光電二極管，可存放于一個數組中，圖6a為光線在某位置時CCD111采集的256個像素點的原始灰度值數據曲線和灰度圖，數據處理的灰度數據和灰度圖如圖6b所示。根據灰度數據曲線和灰度圖可分辨出光線的大致位置，然后通過最大灰度值查找對應的像素點計算出光線偏離中心點的距離，最后依據式(1)完成角度計算。

圖6 灰度數據曲線和灰度圖

3 系統測試與數據分析

根據圖2設計了太陽方向檢測裝置，裝置的機械參數為：光縫寬度d=0.10cm，采樣面和檢測面均為正方形，邊長L=9.00cm，光縫離采樣面的距離l=4.50cm，導光縫厚度δ=0.10cm。調節線性CCD的鏡頭焦距，使線性CCD在檢測面的檢測寬度為L，因此線性CCD的距離分辨精度為L/256=0.035cm。將設計的太陽方向檢測裝置固定于云臺上，云臺上裝有北京磁通偉業傳感器技術有限公司的WYT-AT-3V0無觸點角度傳感器，其分辨率不大于0.05°，測量范圍0.00～90.00°。太陽光通過鹵素燈進行模擬，旋轉云臺后可以利用角度傳感器對設計太陽方向檢測裝置測試。

為了驗證本方法的檢測精度，以太陽方位角測量為例對裝置進行了數據測試，表1為方位角測試的部分數據，實驗數據表明，該檢測裝置測量太陽方位角范圍為45.00～135.00°，測量誤差小于±0.30°，相對誤差小于0.50%。為了提高太陽方位角的檢測范圍，需要保證檢測面的長度L盡可能地大于透光縫到檢測面的距離l，但這將導致檢測裝置體積增加；為了提高方位角的檢測精度，需要提高線性CCD的分辨率，但同時也會增加系統的檢測成本。

表1 太陽方向檢測裝置實驗數據

4 結束語

在現有太陽方位角和高度角檢測方法的基礎上，綜合光電和圖像檢測的優點，提出了一種基于線性CCD的太陽方位角和高度角檢測方法，并進行了太陽方向檢測裝置的機械裝置和系統設計。采用了CCD曝光時間自調整策略后實現CCD曝光時間自動調整，繪制了灰度數據曲線和灰度圖。最后在校驗裝置上對設計的裝置進行了驗證，實驗數據表明，在0.00～90.00°的偏差角度范圍內，該方法可以同時實現太陽方位角和高度角的檢測，測量誤差小于±0.30°。

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