自動跟光太陽能光伏發電系統設計

吉成珍 李海建

華能青海發電有限公司新能源分公司 青海西寧 810000

1 太陽能光伏發電系統自動跟光

太陽能光伏發電系統整體結構框圖如圖1所示，其中虛線區域外為光伏電源系統流程結構，虛線區域內為太陽跟蹤系統流程結構。

光伏電源系統中，太陽能電池陣列將光能轉化為電能，然后傳輸給充放電控制器進行處理，蓄電池接入端子連接蓄電池，負載輸出端子連接逆變器、DC/DC變換器，DC/DC變換器將電壓降為5V，連接直流負載以及對數據處理、通信等模塊進行供電，逆變器將電壓升為220V交流電，對交流負載進行供電[1]。

2 檢測裝置——自主測光儀

2.1 傳感器

（1）照度光電傳感器是用來檢測太陽的光線照射強度，以此來判斷白天還是黑夜。當太陽的照射強度低于預先設定的工作照度時，即黑夜，就給單片機停止工作關機信號，舵機不再運轉，自主檢測儀不再檢測，執行裝置也不工作，自主測光儀進行復位，恢復到開口朝東的方向，執行裝置的太陽能電池板陣列始終保持最后確定的方位角和高度角不變；當太陽的照射強度達到預先設定的工作強度時，即白天，單片機控制自主測光儀開始工作，水平和豎直的跟蹤光電傳感器開始檢測光線是否直射，舵機驅動自主測光儀在水平0～360°，豎直0～90°范圍內進行角度確定，執行裝置也開始相應的執行。（2）跟蹤光電傳感器是用來檢測太陽的方位角和高度角，利用最小差值原理來確定。若太陽光線與扇形體的開口平面以及轉筒的開口面不垂直成90°，光電傳感器輸出的光照強度就會出現偏差信號，將二者的光照強度數值送回到單片機進行差值計算，利用差值的大小確定出將要轉動的角度，將此角度轉換為脈沖信號輸出給舵機，控制舵機向二者中數值較小的一方偏轉此角度，繼而再進行差值比較，直到光電傳感器二者的光照強度數值的差值幾乎為零，則可精確地確定太陽的方位角和高度角。

2.2 方位角跟蹤

自主測光儀的扇形體外殼用于確定太陽的方位角[2]。當太陽光線與扇形外殼的底部垂直的方向照射到其上放置的光電傳感器時，即太陽光線與扇形體開口弧面垂直時，兩個光電傳感器的光照強度相同，當太陽光線偏離垂直方向時，無論向哪個方向偏移，兩個光電傳感器所接收到的光照強度都會出現差值，該偏差信號返送給控制單元，使單片機控制檢測裝置開始啟動，啟動檢測裝置調整自主檢測儀的角度，偏差信號通過單片機處理之后轉變為舵機所能接受的脈沖信號，將此脈沖信號傳輸給水平方位角舵機，根據偏差信號的大小決定脈沖信號的寬度，使水平方位角舵機向光照強度數值較小的光電傳感器一側旋轉相應的角度，水平方位角舵機可在0-360°范圍內進行轉動檢測，直到太陽光線與扇形體保持垂直角度，偏差信號也即為零，實現對太陽自東向西的自動追蹤。

2.3 高度角跟蹤

自主測光儀的扇形體內的轉筒用于確定太陽的高度角。當太陽光線與轉筒底部垂直的方向照射到其上放置的光電傳感器時，即太陽光線與轉筒開口面垂直，兩個光電傳感器所接收到的光照強度是相同的，沒有偏差信號的產生，而當光線發生傾斜時，兩個光電傳感器所接收到的光照強度不再相同，就會產生偏差信號，將此偏差信號送給單片機控制單元，單片機對偏差信號進行處理轉化為相應的脈沖信號的寬度，發送給豎直高度角舵機，該舵機可在豎直0～90°范圍內進行轉動檢測，直至太陽光線與轉筒開口面垂直，偏差信號為零時，即可控制自主測光儀在南北方向上跟蹤太陽的高度角。由于裝置本身會需要一定的電能損耗，為了避免自主測光儀頻繁檢測帶來不必要的能量損耗，檢測裝置在時鐘DS1302的控制下，本系統將30分鐘檢測一次[3]。

3 執行裝置

雙軸太陽能檢測裝置所得到的方位角和高度角，通過無線傳輸nRF24L01將這兩個角度發送到執行裝置，雙軸太陽能的接收信號模塊將接收到的方位角和高度角同步傳輸給雙軸太陽能的水平方位角舵機和豎直高度角舵機，以此來實現太陽能板的最大光電利用率，整體執行裝置結構如圖2。圖2中，1為太陽能電池板，2為豎直舵機，3為軸承，4為水平舵機，5為驅動控制電路。

4 結語

從社會效益分析，太陽能追光系統適應了當前大力推廣太陽能發電的趨勢。經調研，用追光式太陽能板替代現有的固定式太陽能板，將帶來巨大的經濟效益。