光伏發電最大功率追光系統研究與設計

王佳旺，呂海英

（天津農學院，天津 300384）

能源是各個國家發展的重要資源，對于每個國家發展都不可或缺。隨著歷史的推進、文明的發展，人類不斷開采使用著世界上的不可再生能源，如石油、天然氣等，不可再生資源日漸枯竭。近年來，各國也因為能源問題產生了一系列爭端甚至發動了戰爭。為了今后人類的生存和發展，需調整整個世界的能源結構，減少存在污染的不可再生能源（如原油、煤炭等）的使用，解決能源沖突成為了全世界需要面對的嚴峻問題。為了可持續發展，世界各國開展了對可再生能源如太陽能、風能、水能、潮汐能等能源的研究。目前，太陽能已經被廣泛應用于社會生活中，并且由于它分布廣泛、總量巨大、無污染的巨大優勢，應用前景極為廣闊[1]，因此使用光伏發電取代傳統發電方式成為了一項改變能源結構的重要舉措。太陽能發電技術是在科技的推動下，升級國內能源產業結構的一個重要措施[2]，中國也應盡快發展光伏發電技術，實現能源轉變。

雖然太陽能資源非常豐富，但收集困難，而且由于太陽位置持續改變，傳統固定式安裝的光伏組件不能跟隨太陽轉動，只能在固定時間段正對太陽[3]。國內對太陽能的收集及利用主要使用大面積鋪設太陽能板的方法，較少地區使用了單軸追光的方法來追蹤太陽。利用這2 種方法都不能準確高效利用太陽能資源，都是不夠先進的資源采集方式。由此可見，中國在追光系統的研究上距離世界存在著較大的差距，有很高的提高空間。太陽能的利用效率一直受限于技術水平得不到提高，所以怎樣提高太陽能的利用效率成為人類利用太陽能的關鍵[4]。通過對國內外追光系統的觀察發現，目前世界各國都投入了更先進的技術和機器提高對太陽追蹤技術的研究，期望更加有效地提高太陽能的利用率。

本文分析了追光原理和擾動觀察法，使用單片機技術來實現智能追光，最大化利用太陽能，建立仿真模型并進行系統設計。

1 追光原理

如今光伏產業在現代化工業的推進下蓬勃發展，采集太陽能的方式也變得多種多樣。但如今使用最多、最主流的依然是大面積鋪設太陽能采集板。通過整流電路等獲取的太陽能儲存在電池內部，目前光伏發電系統發電功率一般為16%～18%，發電成本較高[5]。因此提高太陽能板的采集效率是追蹤系統需要解決的重要問題，需選擇合適的方法追蹤太陽位置來確保太陽光能夠直射采集板。現如今投入追光系統的方法通常為視日運動軌跡追蹤法和光電跟蹤法2 種。

視日運動軌跡法則原理是地球圍繞太陽進行公轉，因此太陽發生的偏轉度各不相同，可通過模擬，根據歷年以來的太陽方位角、高度角等參數進行計算，利用數據預測出太陽的日出日落時間，再利用控制器來控制調整步進電機追蹤太陽。計算公式如下：

式（1）中：γ為太陽時間角；φ為當前所在緯度；δ為太陽的赤緯角。

由此可推測出太陽日出日落時間，但是這種方法僅僅能預測太陽的移動軌跡，并不能消除誤差，需要在系統工作后進行調整、校正，并且計算的參數也相當復雜，很容易產生因計算錯誤導致的較大誤差。

光電跟蹤法是準備2 個光敏管并將其放置到太陽能采集板的2 個位置上，當太陽轉動、光線角度發生偏移時，光敏管采集的光信號發生改變，當發生改變的差值小時，電機處于靜止狀態，繼續在同一位置采集太陽能；當發生改變的差值超出允許范圍時，系統開始控制電機轉動，使太陽光線照射到光敏管時的數值達到設置范圍，將電信號的變化情況進行分析、判斷、處理，用以驅動步進電機運轉以改變跟蹤裝置位置達到準確聚集太陽光的效果[6]。光電跟蹤法的設計結構相對簡單，對太陽的追蹤也隨時變化，準確度相對較高。但整體來看，這種方法容易受到惡劣天氣的影響，當整體環境光線較弱時（如陰天），由于各個角度接收到的數字信號值大抵相同，系統無法判斷哪個角度光線較強，容易引起系統的錯誤操作，無法實現準確跟蹤。

這2 種追蹤方式都有著一定的優缺點。視日運動軌跡法需精確預測出太陽的行動路線才可以減小誤差，達到準確的追蹤效果，需要隨時進行調整來確保系統的可實行性。而光電跟蹤則需要考慮天氣問題來提高系統的精度，由以上理論經驗可得出，視日運動跟蹤法可以彌補光電跟蹤的缺點，能在任何氣候條件下使光伏發電系統得到穩定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準確度高，工作過程穩定，可應用于許多大中型光伏發電自動跟蹤裝置。因此首先利用雙軸跟蹤系統，采用視日軌跡跟蹤技術對系統的初始狀態進行設置，再另行放置光敏管在太陽能采集板的兩側，實時對太陽的位置進行跟蹤，達到日軌跡符合視日軌跡跟蹤預測時正常追光，當不符合預測軌跡時利用光電跟蹤技術及時對系統跟蹤情況進行調整，實現對太陽的準確追蹤。

2 追光系統最大功率點的選擇

采用上述跟蹤法、利用太陽能采集板追尋太陽位置，盡量使太陽光直射采集板，太陽電池存在唯一功率輸出最大點，這個點也被稱為光伏最大功率點[7]，在工作中經常稱這個功率最大化的點為MPPT（最大功率點跟蹤）控制點。為了提高追蹤系統的準確性，選擇了擾動觀察法來調整光伏發電追蹤系統的追蹤情況。

擾動觀察法主要是通過變換系統的占空比，并且以此來影響擾動Bооst 電路輸出時的輸出電壓，再根據對比擾動產生的變化來預測下一次的擾動方向，保持系統持續輸出最大功率。如當電壓增大時功率也隨之增大，下一次就會朝著相同的方向發生擾動，反之則向著反方向擾動。擾動觀察法具體流程如圖1所示。

圖1 擾動觀察法輸出結果

使用擾動觀察法建模，將溫度設定調整為恒定25 ℃，將光照強度進行改變。在0～0.2 s 時，S=1 000 W/m2；0.2～0.3 s 時，S=800 W/m2；0.3～0.45 s時，S=600 W/m2。

根據仿真結果，當光照強度發生變化時，利用擾動觀察法在改變太陽輻射強度并重新達到穩態后需要約0.02 s。但通過觀察發現，擾動觀察法的電流、電壓以及輸出功率的曲線波形變動較大，重新尋優的時間較長，說明此控制方法的穩定性和準確性不足。為了提高系統的穩定性和快速性，考慮將Fuzzy-PID 復合控制算法結合擾動觀察法，達到預期效果。Fuzzy-PID復合控制算法的結構如圖2 所示。

圖2 Fuzzy-PID 復合控制算法結構圖

結合2 種算法，在大偏差范圍內采用模糊控制，而小偏差范圍內采用PID 控制，能達到更好的控制精度與控制性能，能夠很好發揮2 種控制方法的優點，擁有模糊控制的良好動態性能和PID 控制消除穩態誤差的功能，使得系統在局部陰影下能夠更穩定運行，提高光伏發電系統的輸出效率。

將e和eс作為輸入量，經過量化因子k1和k2將輸入變量投射到模糊控制器后得到輸出量kр、ki、kd，再經過相應的量化處理后的kр、ki、kd通過PID 控制器后得到控制量。

采用加權平均法，計算得到在不同狀態下的kр、ki、kd如下：

式（2）中：｛ei，Δei｝р、｛ei，Δei｝i、｛ei，Δei｝d為kр、ki、kd的校正量。

使用Fuzzy-PID 復合控制算法，當光照強度變化時，其曲線相比較振幅較小更加平滑，尋優速度明顯加快，跟蹤精度較高，穩定性更好，控制效果更加理想。

3 單片機系統的設計

結合2 種追蹤法實現對太陽光的高效追蹤，以此提高系統的整體準確度并高效率運行。因此需要對采集的信號進行處理，利用驅動電機來調整太陽能電池板的角度，實現系統跟蹤目的。

由此來看，單片機在系統設計的設備選擇方面具有優勢。單片機整體上體積小、內部系統結構簡單，能夠實現模塊化內容，有很大的操作空間；能在低電壓的情況下持續工作，有低功耗的天然優勢；數據處理也迅速準確，運算能力較強，可以完美適應當前的系統設計。目前市面上使用的單片機主要有51 系列和89 系列，相對于51 系列，單片機89 系列的單片機編程高壓更低，內部配件也更加全面，因此選擇了單片機功能更多、選擇更多的STC89C52 單片機作為核心主控芯片。

STC89C52 單片機是一種具有較低功能損耗、容易編程、操作簡單的高性能8 位單片機。其片內有可擦除一萬次的制度程序存儲器，擁有40 個功能強大的引腳，功能各不相同，在實現不同系統功能時，將這40個單片機引腳進行靈活編程、活泛運用，劃分出具體功能邏輯模塊，實現各區域系統不干擾、不沖突。在了解了引腳功能和模塊的大前提下，應用了本單片機對該系統進行了應用設計。

單片機能夠正常工作之后，光照信息的采集也是系統準確工作的一項重要指標，是系統正常工作的一個重要環節。采集光照的光敏電阻也是保證系統穩定性的一個重要器件。光敏電阻是一種特殊的可以反映太陽能強度的電阻，它主要由半導體材料構成，電阻阻值會通過光照強度的變化而變化，整體形狀小，方便安裝使用且造價成本很低，反應速度也很快，穩定性和經濟性方面都比較適合本系統。因此本系統采用了光敏電阻GL3516 作為光電檢測的元器件。而采集到的太陽光強信號是一種模擬信號，使用ADC0832 作為本系統的A/D 轉換芯片，將光照信息轉化成單片機控制模塊可直接運算的數字信號。通過模擬信號與數字信號的轉換器來協同單片機工作，驅動系統的追光控制，采集準確的光照信息，便于系統開展工作。系統整體結構如圖3 所示。

在單片機程序的編寫開發中，為了系統完整實現智能追光的功能，本系統設計選擇的是Kеil5 編程軟件。在系統的主程序設計當中，首先對模塊進行初始化，開啟對太陽光的自動跟蹤，光敏電阻檢測光照強度后單片機根據光敏電阻反饋的數字信號進行分析運算，進入主循環。當進入程序開始執行后按鍵啟動系統執行，控制太陽能采集板旋轉位置和行為方式，通過A/D 轉換得到的數字信號執行程序，從函數程序中獲取各個角度不同的光照強度，根據不同的信號分析與邏輯選擇，顯示出4 個光敏電阻所采集到的東、西、南、北光照值，分別位于LCD 顯示屏的左上、左下、右上、右下。系統的軟件程序是這個系統的核心部分，總體來看系統將光照信號轉換為數字信號后通過單片機控制太陽能采集板來實現追蹤。同時處理信息驅動步進電機工作，使電機始終靠近光照強度高的位置，如東部的光照強度大于西部的光照強度時控制東西轉動的步進電機機向東發生偏移，通過各個數據傳序。

重復上序流程，使系統能夠自行判斷各個位置光照強度的強弱，并根據反饋信息達到自動控制狀態、實現追光目的。單片機主程序流程圖如圖4 所示。

圖4 主程序流程圖

4 結束語

本光伏發電最大功率智能追光系統將太陽追蹤技術、MPPT 干擾觀察法結合到單片機設計當中，通過光敏電阻采集太陽光并對各個位置的光照強度進行判斷，驅動步進電機移動光伏采集板，能夠有效追蹤太陽位置，提升光伏發電效率。