高精度太陽能聚光雙軸定時跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計了一種太陽能雙軸全自動聚光跟蹤控制系統(tǒng)，使可以放多個太陽能電池模塊的框架平臺可以跟蹤太陽光旋轉(zhuǎn)，并保持框架平臺上的太陽能電池與陽光入射角保持垂直，以達(dá)到光能的最大獲取率。在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計出可以同時跟蹤太陽軌跡的二軸框架平臺結(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)計太陽運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，全自動地準(zhǔn)確跟蹤太陽的位置，跟蹤精度小于0．4°，最大限度的接收太陽能，提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換的效率。
關(guān)鍵詞：太陽能聚光；光伏組件；高精度跟蹤；伺服控制

    太陽能光伏發(fā)電作為太陽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，成為各國競相發(fā)展的重點。近年來，隨著太陽電池成本下降，光伏發(fā)電已成為太陽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受光面能正對太陽，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輻射能量。國內(nèi)外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動跟蹤裝置，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。
    文中在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計出可以同時跟蹤太陽軌跡的兩軸框架平臺結(jié)構(gòu)。采用太陽軌跡自動跟蹤系統(tǒng)隨時根據(jù)太陽的運行軌跡調(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輻射能量。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，運用太陽運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，全自動地準(zhǔn)確跟蹤太陽的位置，最大限度的接收太陽能，提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換的效率。

1 太陽運動軌跡及平臺框架結(jié)構(gòu)
1．1 太陽運動軌跡
    太陽軌跡跟蹤系統(tǒng)的運行原理為：依據(jù)天體運行規(guī)律，實時計算出太陽對應(yīng)于當(dāng)?shù)貢r間、經(jīng)度、緯度的與水平面相對的方位角和俯仰，進(jìn)而通過電機(jī)驅(qū)動框架平臺按照確定的角度運行，以使光伏組件正對太陽光的最強(qiáng)點。
    在太陽能利用文獻(xiàn)中有大量的文獻(xiàn)，涉及太陽位置的算法上述算法有些簡單，有些復(fù)雜。但無論算法的簡單與否，最終均需計算出太陽的赤緯角、當(dāng)?shù)靥枙r角，并以此為變量，利用球面三角公式或矢量法計算太陽視位置的地平坐標(biāo)(方位角、俯仰角)。太陽位置地平坐標(biāo)計算通用公式如下所示：
   
    其中，el是太陽高度角；az是太陽方位角；δ是太陽赤緯角：ω是太陽時角；φ是當(dāng)?shù)鼐暥取?br />     由以上公式可知，太陽赤緯角、太陽時角的估算與太陽位置的計算密切相關(guān)，其估算精度直接影響太陽位置的計算精度。其中太陽赤緯角δ是太陽光線與地球赤道的夾角(以北為正)。一年內(nèi)，太陽赤緯角在之間變動。要確定某一天的太陽赤緯角，可以利用下面的公式來進(jìn)行近似的計算：
   
    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，天空中飛起的樹葉或生活垃圾，以及云層的運動都會對傳感器檢測造成干擾，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 平臺框架結(jié)構(gòu)
    全自動太陽能聚光跟蹤控制系統(tǒng)主要分為太陽能電池模塊框架平臺和太陽能自動跟蹤控系統(tǒng)。太陽能自動跟蹤系統(tǒng)主要用于驅(qū)動太陽能電池板框架。早晨太陽升起，太陽能電池板框架由初始位置自東向西自動跟隨太陽相對運動的方向，按間歇方式分段轉(zhuǎn)動，從而使光伏發(fā)電系統(tǒng)的太陽能電池板框架保持在較大的功率輸出狀態(tài)。日落后，太陽能電池板框架回轉(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、底座、兩個轉(zhuǎn)動軸(方位軸、俯仰軸)和直流電機(jī)構(gòu)成。整個太陽能電池板安裝在框架平臺上。跟蹤裝置設(shè)計成雙軸機(jī)械跟蹤定位系統(tǒng)，可以同時在方位角和俯仰角兩個方向上同時進(jìn)行位置跟蹤。在驅(qū)動電路的作用下可以使電池板框架平臺在水平方向上0～270°和垂直方向上的0～85°自由旋轉(zhuǎn)，以滿足全天的太陽軌跡跟蹤。太陽能電池板平臺框架示意圖如圖1所示。

2 跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計
2．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)主要由單片機(jī)最小系統(tǒng)、傳感器信號處理電路、電機(jī)驅(qū)動電路等幾部分組成。整個控制系統(tǒng)可以完成如下功能：在設(shè)計跟蹤時間內(nèi)都能正對太陽；夜間自動返回原始工作位置；在轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)失效時，使框架平臺停止工作運轉(zhuǎn)；間歇性工作方式，降低能耗。單片機(jī)選擇的是美國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
    全自動太陽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運行軌跡跟蹤方式。傳感器跟蹤方式是通過光電轉(zhuǎn)換器實時采樣，計算機(jī)分析比較太陽光強(qiáng)的變化，從而驅(qū)動機(jī)械機(jī)構(gòu)實現(xiàn)太陽跟蹤的方式。太陽運行軌跡跟蹤方式是根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡乩砦恢煤蜁r間來確定太陽的位置進(jìn)行跟蹤太陽。在本系統(tǒng)里，這兩種方式自行切換，互相配合，實現(xiàn)了高精度的全天候太陽的自動跟蹤。

    需要說明的是，系統(tǒng)初始化模塊在整個系統(tǒng)的設(shè)計過程中是非常重要的。它主要完成兩個功能：系統(tǒng)的資源配置和平臺框架基準(zhǔn)位置的搜索。確定平臺框架的基準(zhǔn)位置是十分必要的。在系統(tǒng)運行過程中，偶爾的掉電是可能的。系統(tǒng)再加電時會因無法確定當(dāng)前平臺框架的位置，而產(chǎn)生嚴(yán)重的錯誤；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)必須有一個可以確定的基準(zhǔn)位置。

3 設(shè)計應(yīng)用與結(jié)果分析
    太陽能聚光雙軸定時跟蹤控制系統(tǒng)的現(xiàn)場運行為：測試時間為2010年12年某日，地點在我國南方某市。經(jīng)過現(xiàn)場安裝調(diào)試和多次重復(fù)測試，測試結(jié)果如表1所示。當(dāng)天氣晴好時，跟蹤控制系統(tǒng)可以跟蹤太陽軌跡。從實驗結(jié)果分析可行，此全自動跟蹤控制系統(tǒng)精確度和穩(wěn)定性能夠很好地滿足野外現(xiàn)場高精度對太陽軌跡跟蹤的實際。但是，對于控制系統(tǒng)的全方面測試和防雨水、防風(fēng)、防雷擊等等的試驗任務(wù)，還需要進(jìn)一步的開展研究。

4 結(jié)束語
    文中在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于單片機(jī)C8051F020的高精度雙軸全自動太陽能聚光跟蹤控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計，不僅可以實現(xiàn)大范圍高精度的跟蹤太陽軌跡，而且即便遇到多云天氣跟蹤系統(tǒng)也能安全可靠的運行，提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換的效率?，F(xiàn)場安裝調(diào)試和多次重復(fù)測量的結(jié)果表明本文采用方法正確，可靠。同時，對于控制系統(tǒng)的全方面測試，目前已經(jīng)論證充分且經(jīng)過實驗室試驗，正在進(jìn)一步的開展現(xiàn)場應(yīng)用研究過程中。