遍歷式最大電流點硅光電池追蹤系統設計

薄中亞

(常州天為自動化科技有限公司江蘇常州 213164)

0 引言

光伏能源可持續無污染總量大，是世界各國普遍關注和重點發展的新產業。光伏發電的基礎是硅光電池，輸出功率和光線強度成正比，實踐表明采用光線跟蹤的硅光電池矩陣可以提高41.34%能量的接收率[1]。

目前的跟蹤系統主要是理論參數跟蹤和光電傳感跟蹤兩種。理論參數跟蹤是通過對預先設定好的太陽氣象參數進行跟蹤。此類跟蹤系統優點在于無外置傳感器、成本低、廉穩定性好，但是精度差、有系統累積誤差、跟蹤方式不靈活、受地形和天氣影響較大。

光電傳感跟蹤是利用外置的光電傳感器來計算太陽的高度和方位角來調整硅光電池方位，此種跟蹤方式優點在于精確，但是有外置傳感器，可靠性不高，結構比較復雜,成本比較高。此類追蹤系統如果受到外部的遮擋(如樹蔭等)，傳感器所接收到的太陽光強度就會發生改變，使系統無法正確地追蹤，從而使系統的接收率下降。如果是在沒有太陽光的陰天，系統也不能夠做出正確的追蹤[2]。本文提出了一種通過實時地遍歷掃描來確定最大電流點方位的方法。該方法無需外置光敏傳感器，而且可以實時追蹤最大電流點，雙軸自動追蹤，克服了傳統追蹤方式的缺陷。

1 遍歷式追蹤系統的組成

如圖1所示，追蹤系統由MCU控制單元、電流變送器和雙軸跟蹤單元組成，無單獨外置的傳感器，硅光電池板在本系統中充當了光強傳感器、在發電的同時又檢測了光線的強度。電流變送器用來檢測硅光電池板的輸出電流并將電流的大小信號傳送給MCU控制單元。MCU控制單元用來接收電流變送器的信號并控制雙軸跟蹤單元來確定電池板的最大電流方位。

圖1 遍歷式追蹤系統組成框圖

2 遍歷式蹤系統的原理及特點

受地球自轉的影響，光線在地球上的照射角平均大約以每小時15°變化，因此追蹤系統要實時監測電流值并及時更新掃描方位，確定新的最大電流點。該系統設定每當電流值比重新定位后的值下降10%時開啟遍歷掃描，來跟蹤光線的最大電流點方位。追蹤系統通電后系統初始化，硅光電池板在方位角上進行0°～180°X軸的掃描，MCU單元通過電流變送器感知電流最大的方位并做標記a存儲在系統內存中[3]。再以a點為基點在高度角方向上進行0°～180°的Y軸掃描，MCU單元通過電流變送器感知高度角的電流最大處并在系統中做標記為b存儲在系統內存中。硅光電池版的最大電流輸出方位就是以(a，b)為坐標的點，追蹤系統存儲此坐標到系統中并將硅光電池板移動到此坐標上，單次遍歷掃描完成(如圖2所示)。

圖2 遍歷式追蹤系統原理圖

遍歷式最大電流點追蹤系統摒棄了傳統的光電傳感器，僅僅通過MCU的AD功能檢測硅光電池輸出線的壓降的方式計算輸出電流值。在追蹤算法方面以硅光電池的最優電流輸出為判斷依據而不是使用傳統的四象限光敏電阻位置判斷法，如此可以有效地避免外部遮擋而導致的系統對太陽方位的誤判，從而更加有效地提高發電效率。在追蹤系統上使用了間歇式的追蹤系統，硅光電池輸出電流不降低到一定閾值不啟動電機，從而有效地減少系統損耗，增加了系統的使用壽命[4]。

3 驅動單元結構設計

此裝置由水平軸和豎直軸組成，各有一套高精度伺服電機和變速箱單獨驅動，如圖3所示，水平軸可以實現對太陽方位角的追蹤，豎直軸可以實現對太陽高度角的追蹤[5]。根據MCU控制單元監測的電流水平來對追蹤驅動單元發出控制命令，追蹤驅動單元根據命令精確地驅動電機到預定位置，為了增加系統的穩定性，系統的姿態調整算法使用了PID控制，通過調整驅動輸出的電流和電壓相位來增加系統穩定性，有效避免系統的震蕩。

1-硅光電池板框；2-驅動齒輪；3-變速齒輪；4-高精度伺服電機；5-水平軸；6-驅動總成支架；7-豎直軸；8-整體支架圖3 驅動單元的組成

4 遍歷式追系統硬件設計

4.1 MCU控制單元硬件設計

該遍歷掃描追蹤系統硬件采用模塊化設計，由MCU單元和追蹤驅動單元組成，MCU單元電流變送器接口和X-Y軸驅動接口如圖4所示。

步進電機都連接至MCU控制單元，MCU先通過控制X-Y驅動板進行X軸和Y軸的遍歷掃描配合檢測電流變送器信號的大小來確定最大電流點的方位坐標，并通過步進電機將硅光電池板調整至該坐標。

4.2 追蹤單元驅動設計

圖5 追蹤單元硬件設計

X-Y追蹤驅動板直接接入MCU控制單元，接受控制命令并驅動電機調整硅光電池方位，其中驅動板的輸入輸出信號采用了光耦隔離設計，使MCU控制信號和驅動板的輸出相互隔離，使系統整體工作穩定，抗干擾能力強。追蹤單元硬件設計如圖5所示。

5 遍歷式蹤系統軟件設計

系統軟件主要包括主程序、電流、方位采集子程序、參數查詢程序和增加電機閉環控制穩定性的PID控制子程序等，主程序流程如圖6所示。

圖6 遍歷式蹤系統軟件主程序設計

6 系統參數性能對比試驗

本追蹤系統完成后，通過市場采購到了一款邁貝特(廈門)新能源有限公司生產的MRac光電跟蹤的高精度雙軸追蹤系統來做性能對比試驗。

兩套系統使用相同的天合光能TSM-270PD05光伏組件，輸出功率檢測系統使用愛德克斯的IT7802電子負載(含兩個IT8732B模塊)，在同樣的地點，光照時長從上午的9點到下午5點鐘，一共八個小時。兩者各項參數的對比如圖7所示。

表1 系統參數對比

該系統在同樣的光照條件下和市場現有的高精度雙軸跟蹤系統對比效果基本相當。而且該系統在定位精度相當的情況下僅使用了一個電流變送器，沒有外置傳感器，使得系統結構簡單化，維護簡單，系統可靠性也會顯著地增加。

7 結論

硅光電池搭配精確的光線追蹤系統可以大大提高發電效率，本文利用硅光電池本身為傳感器，通過硅光電池的遍歷追蹤確定硅光電池實時最大電流點方位的光線追蹤系統，以MCU為控制核心，實時調整電池板的高度角和方位角，電路簡單可靠，精確度高，成本低廉，維護簡單，可疊加擴展性強，有著不錯的應用前景。

該系統屬于物理方位層面的最大電流點追蹤系統，可以把電池板的方位進行最優化調整，將光照的效能發揮到比較理想的狀態。將來可以在硅光電池板特性層面上運用現在日漸成熟的最大功率點(MPPT)追蹤控制器來追蹤硅光電池I-V曲線和負載線的交點實現最大功率點追蹤，使最大電流點追蹤和最大功率點追蹤有機結合，實現物理方位層面和硅光電池特性層面的雙優化。