高精度太陽(yáng)能聚光雙軸定時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為提高太陽(yáng)能電池光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能雙軸全自動(dòng)聚光跟蹤控制系統(tǒng)，使可以放多個(gè)太陽(yáng)能電池模塊的框架平臺(tái)可以跟蹤太陽(yáng)光旋轉(zhuǎn)，并保持框架平臺(tái)上的太陽(yáng)能電池與陽(yáng)光入射角保持垂直，以達(dá)到光能的最大獲取率。在考慮太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可以同時(shí)跟蹤太陽(yáng)軌跡的二軸框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)，方位軸和俯仰軸。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，設(shè)計(jì)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結(jié)合的自適應(yīng)智能跟蹤方法，全自動(dòng)地準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)的位置，跟蹤精度小于0．4°，最大限度的接收太陽(yáng)能，提高了太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的效率。
關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能聚光；光伏組件；高精度跟蹤；伺服控制

    太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續(xù)利用等特點(diǎn)，成為各國(guó)競(jìng)相發(fā)展的重點(diǎn)。近年來(lái)，隨著太陽(yáng)電池成本下降，光伏發(fā)電已成為太陽(yáng)能利用中最具活力的領(lǐng)域，而提高光伏發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率是進(jìn)一步利用太陽(yáng)能、降低成本的重要課題。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，需要提高光伏陣列吸收太陽(yáng)輻射能量的能力。其主要解決途徑是使光伏組件的框架平臺(tái)受光面能正對(duì)太陽(yáng)，使相同的輻照條件下比固定安裝的光伏組件能吸收更多的太陽(yáng)輻射能量。國(guó)內(nèi)外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動(dòng)跟蹤裝置，成本最低的最佳傾角固定安裝光伏陣列，由于太陽(yáng)光入射角隨晝夜、季節(jié)變化，光伏組件陣列不能充分吸收太陽(yáng)輻射的能量，且由于光伏組件聚光后產(chǎn)生的高溫，有可能反而造成不必要的損失。
    文中在考慮太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出可以同時(shí)跟蹤太陽(yáng)軌跡的兩軸框架平臺(tái)結(jié)構(gòu)。采用太陽(yáng)軌跡自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)隨時(shí)根據(jù)太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡調(diào)整陣列表面位置以減小入射角，在相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏陣列更多的太陽(yáng)輻射能量。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，運(yùn)用太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結(jié)合的自適應(yīng)智能跟蹤方法，全自動(dòng)地準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)的位置，最大限度的接收太陽(yáng)能，提高了太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的效率。

1 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡及平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)
1．1 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡
    太陽(yáng)軌跡跟蹤系統(tǒng)的運(yùn)行原理為：依據(jù)天體運(yùn)行規(guī)律，實(shí)時(shí)計(jì)算出太陽(yáng)對(duì)應(yīng)于當(dāng)?shù)貢r(shí)間、經(jīng)度、緯度的與水平面相對(duì)的方位角和俯仰，進(jìn)而通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)框架平臺(tái)按照確定的角度運(yùn)行，以使光伏組件正對(duì)太陽(yáng)光的最強(qiáng)點(diǎn)。
    在太陽(yáng)能利用文獻(xiàn)中有大量的文獻(xiàn)，涉及太陽(yáng)位置的算法上述算法有些簡(jiǎn)單，有些復(fù)雜。但無(wú)論算法的簡(jiǎn)單與否，最終均需計(jì)算出太陽(yáng)的赤緯角、當(dāng)?shù)靥?yáng)時(shí)角，并以此為變量，利用球面三角公式或矢量法計(jì)算太陽(yáng)視位置的地平坐標(biāo)(方位角、俯仰角)。太陽(yáng)位置地平坐標(biāo)計(jì)算通用公式如下所示：
   
    其中，el是太陽(yáng)高度角；az是太陽(yáng)方位角；δ是太陽(yáng)赤緯角：ω是太陽(yáng)時(shí)角；φ是當(dāng)?shù)鼐暥取?br />     由以上公式可知，太陽(yáng)赤緯角、太陽(yáng)時(shí)角的估算與太陽(yáng)位置的計(jì)算密切相關(guān)，其估算精度直接影響太陽(yáng)位置的計(jì)算精度。其中太陽(yáng)赤緯角δ是太陽(yáng)光線與地球赤道的夾角(以北為正)。一年內(nèi)，太陽(yáng)赤緯角在之間變動(dòng)。要確定某一天的太陽(yáng)赤緯角，可以利用下面的公式來(lái)進(jìn)行近似的計(jì)算：
   
    其中，DAY為式中：DAY為從1月1日起，到該天的天數(shù)。
    由于外界自然環(huán)境復(fù)雜多變，天空中飛起的樹(shù)葉或生活垃圾，以及云層的運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)傳感器檢測(cè)造成干擾，使跟蹤器產(chǎn)生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽(yáng)能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。
1．2 平臺(tái)框架結(jié)構(gòu)
    全自動(dòng)太陽(yáng)能聚光跟蹤控制系統(tǒng)主要分為太陽(yáng)能電池模塊框架平臺(tái)和太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤控系統(tǒng)。太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要用于驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能電池板框架。早晨太陽(yáng)升起，太陽(yáng)能電池板框架由初始位置自東向西自動(dòng)跟隨太陽(yáng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的方向，按間歇方式分段轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)能電池板框架保持在較大的功率輸出狀態(tài)。日落后，太陽(yáng)能電池板框架回轉(zhuǎn)復(fù)位至初始位置，并處于休眠狀態(tài)?？蚣艿臋C(jī)械部分采用雙軸機(jī)械跟蹤定位方式。主要由電池板框架平臺(tái)、底座、兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸(方位軸、俯仰軸)和直流電機(jī)構(gòu)成。整個(gè)太陽(yáng)能電池板安裝在框架平臺(tái)上。跟蹤裝置設(shè)計(jì)成雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)，可以同時(shí)在方位角和俯仰角兩個(gè)方向上同時(shí)進(jìn)行位置跟蹤。在驅(qū)動(dòng)電路的作用下可以使電池板框架平臺(tái)在水平方向上0～270°和垂直方向上的0～85°自由旋轉(zhuǎn)，以滿足全天的太陽(yáng)軌跡跟蹤。太陽(yáng)能電池板平臺(tái)框架示意圖如圖1所示。

2 跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器信號(hào)處理電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等幾部分組成。整個(gè)控制系統(tǒng)可以完成如下功能：在設(shè)計(jì)跟蹤時(shí)間內(nèi)都能正對(duì)太陽(yáng)；夜間自動(dòng)返回原始工作位置；在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)失效時(shí)，使框架平臺(tái)停止工作運(yùn)轉(zhuǎn)；間歇性工作方式，降低能耗。單片機(jī)選擇的是美國(guó)Cygnal公司推出的高性能C8051F020系列單片機(jī)，主要考慮到其具有極佳的最小功耗設(shè)計(jì)環(huán)境。聚光跟蹤控制系統(tǒng)硬件組成圖如圖2所示。

2．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤器具有兩種可自行切換的跟蹤方式：傳感器跟蹤方式和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式。傳感器跟蹤方式是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采樣，計(jì)算機(jī)分析比較太陽(yáng)光強(qiáng)的變化，從而驅(qū)動(dòng)機(jī)械機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤的方式。太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方式是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜁r(shí)間來(lái)確定太陽(yáng)的位置進(jìn)行跟蹤太陽(yáng)。在本系統(tǒng)里，這兩種方式自行切換，互相配合，實(shí)現(xiàn)了高精度的全天候太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤。

    需要說(shuō)明的是，系統(tǒng)初始化模塊在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中是非常重要的。它主要完成兩個(gè)功能：系統(tǒng)的資源配置和平臺(tái)框架基準(zhǔn)位置的搜索。確定平臺(tái)框架的基準(zhǔn)位置是十分必要的。在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，偶爾的掉電是可能的。系統(tǒng)再加電時(shí)會(huì)因無(wú)法確定當(dāng)前平臺(tái)框架的位置，而產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)誤；另外，日落后系統(tǒng)需要按原路線返回至基準(zhǔn)位置，以避免電纜的纏繞和減小因平臺(tái)框架的加工精度而產(chǎn)生的誤差累積，這也要求系統(tǒng)必須有一個(gè)可以確定的基準(zhǔn)位置。

3 設(shè)計(jì)應(yīng)用與結(jié)果分析
    太陽(yáng)能聚光雙軸定時(shí)跟蹤控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行為：測(cè)試時(shí)間為2010年12年某日，地點(diǎn)在我國(guó)南方某市。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和多次重復(fù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。當(dāng)天氣晴好時(shí)，跟蹤控制系統(tǒng)可以跟蹤太陽(yáng)軌跡。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可行，此全自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)精確度和穩(wěn)定性能夠很好地滿足野外現(xiàn)場(chǎng)高精度對(duì)太陽(yáng)軌跡跟蹤的實(shí)際。但是，對(duì)于控制系統(tǒng)的全方面測(cè)試和防雨水、防風(fēng)、防雷擊等等的試驗(yàn)任務(wù)，還需要進(jìn)一步的開(kāi)展研究。

4 結(jié)束語(yǔ)
    文中在考慮太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于單片機(jī)C8051F020的高精度雙軸全自動(dòng)太陽(yáng)能聚光跟蹤控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)，不僅可以實(shí)現(xiàn)大范圍高精度的跟蹤太陽(yáng)軌跡，而且即便遇到多云天氣跟蹤系統(tǒng)也能安全可靠的運(yùn)行，提高了太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換的效率?，F(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試和多次重復(fù)測(cè)量的結(jié)果表明本文采用方法正確，可靠。同時(shí)，對(duì)于控制系統(tǒng)的全方面測(cè)試，目前已經(jīng)論證充分且經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，正在進(jìn)一步的開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用研究過(guò)程中。