網絡控制太陽能光伏板隨動系統研究＊

韓 晨，閆振華

（1.新疆鐵道職業技術學院，新疆 烏魯木齊830011；2.新疆德創工控技術有限公司，新疆 烏魯木齊830011）

1 引言

太陽能光伏板對正太陽，發電效率才能最大。美國研究者通過實驗研究發現運行良好的太陽能隨動系統能使整個系統提高效率30%以上，HCPV系統[1]結合性能良好的隨動系統，發電效率必將大幅提升，當采用的聚光比為500倍、太陽光法線與菲涅耳透鏡中心軸線的夾角為0.5°時，發電效率將會下降20%，當偏差角達到1.2°時，發電效率將下降80%左右[2]。

然而，讓太陽能電池板時刻對正太陽的過程也需要消耗寶貴的能源，加之現有的太陽能隨動系統控制調整都有一定的延遲，感光元件和執行機構易受風沙的污染而失效，人工清理維護耗時費力，大大增加了系統的運行成本，降低了可靠性。這種雙軸太陽能光伏板隨動系統能精確地執行指令，并且簡單、可靠、節能、免維護。

2 雙自由度隨動系統

現有的太陽能隨動主要有主動式和被動式兩種。

主動式系統主要由測量系統、控制系統和執行機構三部分組成。測量系統必須暴露在外，很容易受風沙的污染而失效，而感光部件多為精密光電元器件，只能由人工清理，費用高而且清理效果難以保證，比較適合用于實驗室環境中。被動式系統直接執行外來指令，系統簡潔可靠，但是控制精度受制于控制指令的編制水平。ABDALLAH等將太陽輻照計分別置于雙軸跟蹤和固定式的太陽能面板上，其中固定式太陽能面板朝南傾斜32°，然后測量太陽輻照的累計值，實驗數據顯示基于雙軸跟蹤的輻照接收量遠大于基于固定式的太陽能面板，可提高大約41.34%的太陽能接收總量[3]。

雙舵機隨動系統如圖1所示。這種雙自由度隨動系統使用2只舵機分別控制太陽能光伏板的方位角和高度角，其中垂直安裝的舵機控制方位角，水平安裝的舵機控制高度角，符合設計安裝調試的習慣，可應用于多種場景。

圖1 雙舵機隨動系統

舵機是一種簡易的伺服電機系統，結構可靠，價格相對低廉，控制容易，精度足夠。現有隨動裝置的機械加工和現場安裝誤差遠大于太陽位置天文算法的計算誤差，而這種雙舵機隨動系統垂直布置的舵機與底座上的鋼管通過所示的法蘭進行連接，鉛垂和正北刻線可在生產廠家完成整體安裝調試，對在現場安裝調試的工人的技術要求較低，容易保證安裝精度，鋼管內剩余空間可用于安裝信號接收裝置，簡潔美觀，對安裝現場的地形要求很低，只要能立得住一根鋼管的地方就可以安裝，水面灘涂時均可使用。

2.1 雙舵機隨動系統的設計難點

出于防風考慮，現有的隨動系統通常需要設計更加粗壯的支架和配重，增加了現場的安裝難度和系統的制造成本，而圖1所示的雙舵機隨動系統機械結構風格極簡，對現場安裝的要求最低，并且依靠網絡控制，可以根據天氣預報提前預警，采取最佳抗風姿態爭取極端天氣下的最大存活概率，還可降低對機械結構的強度、剛度要求，減少造價。

隨動系統的支座可采用薄壁空腔結構，在安裝現場填入砂土，減少運輸成本，支腿采用鋼管灌注混凝土的方法，可獲得良好的綜合機械性能，其頂端設有法蘭連接舵機。

舵機最初用于飛行器的姿態控制，結構輕盈堅固，外部全密封可有效抵御風沙侵襲，因其輸出扭矩大，PWM、PID控制技術方便可靠、技術成熟，所以，舵機也經常代替復雜昂貴的伺服電機和諧波減速器，組裝成各種機器人，在滿足設計精度要求的前提下獲得最佳的經濟性和可靠性。

舵機的輸出端采用蝸輪蝸桿機構，用以實現狀態自鎖功能，姿態調整完成即可給舵機斷電，不必全程耗電保持姿態，克服了現有控制系統全程耗電的弊端。

這種雙舵機隨動系統的擴展性極強，只需將太陽能光伏板換成反射鏡，而后更新控制參數，即可應用于聚光光伏發電系統、聚熱發電系統、太陽能自動補光系統和太陽能灶具中，無需做其他改動。

這種雙舵機隨動系統聯網之后，可隨時接收網絡數據鏈的即時指令，根據天氣預報或現場工作人員的實際觀測，實時向發電場所有的光伏板發出指令。

2.2 雙自由度隨動系統的技術要求

這種雙自由度隨動系統使用網絡數據鏈的即時指令解決了現有隨動系統調不準的問題，不受風沙污染和云層移動的干擾，在最優數據方案的引導下，上午和下午以較慢的頻率調節，正午時分太陽光輸出功率最大時，以系統的最小分辨率精細調節，即發電能力低的時候少調粗調，發電能力強的時候多調精調，整個控制過程追求節能高產。繁雜的計算過程由后臺的計算機完成，運算結果通過網絡實時發給現場的執行機構，再通過網絡校驗結果，可以大大提高系統的可靠性，解決現有隨動系統測不準、調不準的問題。

3 網絡數據鏈控制

目前控制參數主要有兩種方法：理論計算法可以應用于全球各地，但是控制精度難以保證，最終還是需要試驗法的驗證；試驗法的實時控制精度很高，但是試驗過程復雜，成本較高而且數據的可移植性較差。憑借網絡控制的執行機構，得到了融合以上兩種方法優點的解決方案。

文中雙自由度隨動系統中的舵機使用的PWM控制信號結構簡單，容易實現網絡傳輸，現有的大型太陽能發電場均已通網，使用網絡數據鏈對控制系統進行實時控制是大勢所趨。可以使用NREL的數據，將經緯度、海拔高度等數據輸入計算機，得到各個發電場自己的PWM控制信號，再利用萬能的網絡將最優數據適時地傳遞給執行機構，以取得最高的整體效率，并通過網絡將實時數據傳回網絡數據庫，分析計算后更新迭代數據，使之快速逼近最優解。在不明顯增加其他成本的前提下得到最大的收益。

每個太陽能發電場設置自己的實驗裝置，實時監控太陽的運行數據并利用網絡傳回數據中心的計算機驗證PWM控制信號的控制精度。

4 結論

這種雙自由度隨動系統結構簡單，性能可靠，安裝方便，采用網絡數據鏈控制技術可以實現遠程精確控制，控制策略隨時可調，方便靈活，利用數據反饋容易獲得最優方案，控制精度高，可以為用戶提供最大輸出功率和減少運行維護費用，并對新電廠的規劃和建設提供決策參考。