太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統設計

羅金玲

摘 要：針對太陽能光伏發電采用固定式方案對太陽能利用率不高的問題，設計出了太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統。該方案首先對光伏發電進行了敘述，分析了光伏電池的發電原理及光伏發電的優點和不足；其次對光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤這兩種自動跟蹤方式進行了詳細分析；最后對自動跟蹤控制系統進行了設計。

關鍵詞：光伏發電；自動跟蹤；太陽能；利用率

中圖分類號：TM615 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

隨著世界經濟的迅速發展，人類對于能源的需求量越來越大，這使得不可再生能源（煤、天燃氣等）變得日益短缺。當前，世界各國對于新的可再生能源的研發重視程度日益提高，太陽能作為綠色無污染能源且具有適合長期可持續發展的獨有優勢受到人們熱捧。我國幅員遼闊，具有豐富的太陽能資源，提高太陽能的利用率，可為我國經濟的可持續發展提供強有力的動力支援。當前，如何提高太陽能的接收效率成為研發的重點。

1 光伏發電

1.1 光伏電池

太陽能光伏發電主要通過光伏電池進行光能和電能之間的轉化，通過PN結的電場效應產生電能。當前光伏電池的種類很多，制作工藝也有很多種，其原理是一致的，如圖1 所示。

光伏電池的發電效率隨著太陽光譜分布、太陽光強度及電池自身溫度等的變化而不斷變化。

1.2 光伏發電的優點

光伏電池是以PN結半導體為主，在地球上擁有豐富的半導體制作原材料——硅，因此光伏發電與傳統的發電設備相比，有以下優點：

（1）太陽能非常豐富，取之不盡，用之不竭，在當前看來，太陽能是一種可以“無限”使用的可再生免費能源。

（2）光伏發電不會產生噪聲、有害氣體、磁場、光等對人體造成影響的污染物，是真正的綠色環保能源。

（3）適合于各種有太陽光照的環境，一旦安裝調試成功，無需進行材料的運輸。

（4）當前的光伏設備的使用壽命一般長達25年以上，隨著工藝和技術的提高，其使用壽命還會不斷增長。

1.3 光伏發電的不足

光伏發電的能力與太陽光的強度有著直接的關系，當前社會上的光伏設備一旦安裝，在一天之中，其發電的能力隨著太陽的轉動而不同，這使得發電的效率受到極大的影響。另外，自然界中的風也可能改變光伏電池原有的位置，嚴重影響光伏電池的發電效率。

2 逐日跟蹤方式

太陽光與發電效率之間的關系已經被越來越多的理論所驗證，當前，人們對于太陽的跟蹤也提出了越來越多的方法。將這些方法進行總結，其主要的方式有光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤兩種。

2.1 太陽運動軌跡跟蹤

日出日落都有特定的軌跡，有規律可循。太陽每天所在的位置可根據當地季節和氣候特點得到，進而在太陽能電池板上安裝相應的控制程序使太陽能電池板能準確跟蹤太陽。

太陽運動軌跡跟蹤方式主要采用單軸和雙軸兩種跟蹤裝置。其中單軸主要是以焦線為中心，沿著焦線的垂直方向進行雙向跟蹤；而雙軸則可以進行全方位、高度角的全跟蹤。雙軸主要由垂直轉軸和水平轉軸兩個轉軸組成，相對較為復雜。雙軸的示意圖如圖2所示。

2.2 光電跟蹤

太陽光的強弱可以通過光敏管對其進行感應，通過將兩個光敏管安裝在光伏電池的兩個對應點上，假如光伏電池板接收太陽光的照射后，其產生的電能在預計的電能數值偏差規定的閾值內，則表明當前的光照效果良好，無需進行電池板的轉動。隨著時間的推移，太陽的運動軌跡發生了變化 ，光伏電池產生的電能逐漸減弱，使得產生的電能與預計產生電能之間的誤差變大。此時，光敏管檢測到的電信號被放大電路放大，并啟動自動定位控制裝置，帶動電池板進行轉動，使電池板重新與太陽光的方向保持垂直狀態。

光電跟蹤的設計相對簡單，最大的不足是易受到天氣因素的影響，當晴天時，可以很好地完成跟蹤效果。但當天氣惡化時，特別是白天，太陽長時間地被烏云遮擋，此時太陽能電池板產生的電能變弱，而光敏管由于沒有光照，故無法正常啟動定位控制裝置。

兩種跟蹤方式都有其各自的優點和不足，為了更好地完成自動跟蹤太陽的功能，將兩種跟蹤方式進行有效的結合。當光敏管可以有效地接收到電信號時，說明當天的天氣情況很好，采用光電跟蹤方式；相反，則說明天氣情況惡劣，則采用太陽運動軌跡跟蹤方式。這樣，無論在什么樣的天氣環境下，太陽能電池板都能夠最大效率地工作。

3 自動跟蹤控制系統的設計

3.1 設計原則

太陽能發電的目的是為了節省能源，提高經濟效益，因此，在設計的過程中，要考慮成本和維護的問題。自動跟蹤控制系統的設計原則包括如下幾點：

（1）系統的可擴展性

根據太陽能發電的需要，隨著工藝水平和科技的進步，太陽能光伏電池可能進行更換或數量增加，所以搭建的平臺應能夠滿足更新和維護的需求。

（2）模塊化設計

為了縮短研發的周期，模塊化設計可以使得設計各個部件更加科學化、標準化，有效提高研發的工作效率。

（3）標準接口

在軟件設計上，要預留軟件功能接口，為以后的二次開發打下基礎。

（4）經濟耐用

太陽能電池板需要長年在戶外工作，可能會遇到惡劣的風雪天氣，在安裝的過程中，要考慮到耐用性，避免二次安裝。

3.2 系統硬件設計

太陽能光伏發電自動跟蹤系統的硬件設計要以主計算機控制單元為核心，外圍設備由多種傳感器（風力、風向傳感器、光強傳感器、太陽光入射角傳感器、方位磁傳感器、GPS接收機等）收集的數據信息經過單片機模塊分析轉化后傳給主計算機控制單元，經控制單元運算后，用其結果控制電機的單片機，使驅動電機進行轉動，帶動太陽能電池板到合適的位置。具體如圖3所示。

3.3 系統軟件設計

系統主控程序的流程是首先對太陽能電池板的起始位置進行確認，將程序進行初始化操作，首先根據光敏管確認天氣情況，假如天氣狀態良好，則采用光電跟蹤，否則采用太陽運動軌跡跟蹤，無論采用何種跟蹤方式，根據每個時刻太陽的位置通過電機轉動帶動電池板轉動，使電池板與太陽光方向相對應。當太陽落山后，自動關閉跟蹤系統，將電池板恢復至起始位置。核心代碼如下：

4 結 語

本文對太陽能光伏發電自動跟蹤控制系統進行了研究，當前太陽能發電已經受到人們越來越多的重視。如何最大效率地發揮出太陽能電池板的功能，是提高資源利用率的有效途徑之一。在自動跟蹤系統中，優化跟蹤控制方式和多任務控制系統，可更加有效的提高太陽能光伏電池板的發電效果。

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