基于變頻器的太陽能自動跟蹤裝置的設(shè)計

楊 斌，郭敏強，韓立立，焦志勇

（中國石油大學(xué)，山東 青島 266580）

面對日益嚴(yán)重的能源危機，世界各國都把眼光瞄準(zhǔn)了可再生能源的開發(fā)利用，尤其是太陽能產(chǎn)業(yè)以其綠色、無污染和永久可持續(xù)性備受青睞，存在無限廣闊的發(fā)展前景。太陽能因其儲量的無限性、輻射的普遍性、利用的清潔性和經(jīng)濟性等特點，成為人類解決能源危機的重要途徑，世界各國均大力扶持太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而，單結(jié)太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化率僅為31%，而一般位于屋頂或日常消費產(chǎn)品中的太陽能電池的轉(zhuǎn)化率僅為18%，研制高效的、成本合理的太陽能電池是全球共同面臨的巨大挑戰(zhàn)[1，9]。

通過機械設(shè)計提高太陽光的采收率可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上更大程度的利用太陽能。目前，太陽能自動跟蹤系統(tǒng)多采用視日軌跡跟蹤、光電跟蹤以及兩種結(jié)合的方式[2，8]。然而這幾種方式都有各自的優(yōu)缺點，在一定程度上限制了太陽能的利用率。本文介紹了一種利用變頻器控制異步電機轉(zhuǎn)速的跟蹤方法，既達到自動跟蹤的效果、提高跟蹤精度，又節(jié)省了在跟蹤過程中系統(tǒng)所用的電能。

1 常見跟蹤方式簡述

視日軌跡跟蹤，是根據(jù)在確定的位置太陽角度隨時間變化的規(guī)律，確定不同時間太陽所在位置，然后運行控制程序使裝置對準(zhǔn)太陽光線。然而，此方法存在地域的局限性，即一旦換在另一個地方，太陽角度隨時間變化的規(guī)律便不相同，這樣就需要重新確定太陽運動軌跡、編寫控制程序，后期運行麻煩較多，而且一旦遇到陰雨天氣，它仍會繼續(xù)跟蹤，造成電能的浪費[3]。

光電跟蹤，使用光敏管，將兩個光敏管分別置于光伏電池陣列平面的兩個點上，當(dāng)太陽光線直射光伏陣列時，若光敏管將光信號轉(zhuǎn)換成電信號后的數(shù)值偏差在規(guī)定范圍內(nèi)，即兩個測試點光強信號的偏差很小，電機不轉(zhuǎn)動。但隨著太陽的位置發(fā)生變化，光敏管檢測到的電信號偏差逐漸增大而超出了規(guī)定范圍，經(jīng)放大電路將偏差信號放大，控制跟蹤裝置產(chǎn)生動作而重新使光伏陣列與太陽光線保持垂直，對準(zhǔn)太陽，完成跟蹤。但有一個缺點就是受天氣的影響較大，如果在稍長一段時間內(nèi)出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，由于沒有光照，光敏管上沒有電信號產(chǎn)生，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機構(gòu)的失誤操作。而且在跟蹤過程中由于電機轉(zhuǎn)速控制不當(dāng)有可能會出現(xiàn)跟蹤偏差[4]。

視日軌跡跟蹤和光電跟蹤結(jié)合的跟蹤方式雖然在一定程度上可以避免上述缺點，但無法從根本上克服，仍存在很多問題。本文介紹的基于變頻器的太陽能自動跟蹤裝置具有視日軌跡跟蹤以及光電跟蹤的優(yōu)點，同時克服了兩者的一些缺點，實現(xiàn)了更精確的跟蹤，進一步提高了太陽能利用率。

2 變頻器工作原理

變頻器的組成主要包括控制電路和主電路兩個部分，如圖1所示。其中主電路還包括整流器和逆變器等部件，工作原理是通過控制電路來控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，直流中間電路將直流電進行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉(zhuǎn)換為所需頻率和電壓[5]，再讓它與異步電機相連，從而可以控制電機的轉(zhuǎn)速[6]。變頻器調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速的主電路圖如圖2所示[7]。

圖1 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 變頻器調(diào)速系統(tǒng)的主電路

控制電路是給主電路提供控制信號的回路，它有頻率、電壓的“運算電路”，主電路的“電壓、電流檢測電路”，電動機的“速度檢測電路”，將運算電路的控制信號進行放大的“驅(qū)動電路”，以及逆變器和電動機的“保護電路”組成。

（1）運算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測電路的電流、電壓信號進行比較運算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

（2）電壓、電流檢測電路：與主回路電位隔離檢測電壓、電流等。

（3）驅(qū)動電路：驅(qū)動主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

（4）速度檢測電路：以裝在異步電動機軸機上的速度檢測器的信號為速度信號，送入運算回路，根據(jù)指令和運算可使電動機按指令速度運轉(zhuǎn)。

（5）保護電路：檢測主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時，為了防止逆變器和異步電動機損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

3 跟蹤裝置設(shè)計

該裝置主要有以下幾個部分組成，變頻器、機械裝置，光電轉(zhuǎn)換裝置、太陽能電池板，實時時鐘電路等，如圖3所示。變頻器接收來自實時時鐘和光電轉(zhuǎn)換裝置的兩個信號，進行處理和判斷，從而決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，具體工作方式如下。變頻器先通過實時時鐘的信息粗略判斷，在夜間關(guān)閉系統(tǒng)，停止跟蹤；在白天，系統(tǒng)的工作狀態(tài)再由光電轉(zhuǎn)換裝置提供的信號來決定。對于光電轉(zhuǎn)換裝置，系統(tǒng)設(shè)置一個啟動的最低信號值，在陰雨天氣，此時感光裝置接收的信號較低，當(dāng)信號低于系統(tǒng)啟動的最低值時，系統(tǒng)關(guān)閉。這樣就可以避免視日軌跡跟蹤遇到陰雨天氣仍會繼續(xù)轉(zhuǎn)動的缺陷，節(jié)省了電能。若感光裝置接收的信號高于系統(tǒng)啟動的最低值，說明此時有陽光，系統(tǒng)啟動，再次讀取實時時鐘的時間信息，變頻器根據(jù)太陽角度隨時間的變化規(guī)律判斷此時太陽應(yīng)處的方位，控制電機轉(zhuǎn)動，使電池板大致朝向了垂直太陽光的方向；然后，在一定范圍內(nèi)逐漸改變電機轉(zhuǎn)速，并讀取不同方向光電轉(zhuǎn)換裝置的信號值，將不同方向感光裝置獲得的信號值進行對比，找到一個最大值，即此時太陽能電池板與太陽光線垂直，完成跟蹤。在通常的跟蹤方式中，電機工作時處于短期重復(fù)狀態(tài)（開／停），這樣勢必帶來啟動頻繁、噪聲大、電機壽命短、溫度穩(wěn)定性差以及能耗高等一系列弊端。而變頻器通過提高載波頻率、和電機間加上濾波器可以達到減震的效果，避免這些弊端，具有節(jié)省電能、延長壽命、靜音化等優(yōu)點。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

變頻器選擇ABB變頻器ACS800，其中控制芯片為8位單片機，時鐘芯片為PCF8563I2C實時時鐘／日歷芯片，輸入顯示控制芯片為HD7279A串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片，驅(qū)動芯片采用采用ULN2803AG。兩個電機分別于水平調(diào)節(jié)和垂直調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的簡化電路圖如圖4所示[8]。擺動，從而造成系統(tǒng)的混亂。而采用變頻器，電機轉(zhuǎn)速可調(diào)，則可避免此缺點。第四，采用了對電動機的最先進的轉(zhuǎn)矩矢量控制。能獲得與負載自動適應(yīng)的電機轉(zhuǎn)矩；低速時提高起動轉(zhuǎn)矩，大幅度提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。

圖4 跟蹤系統(tǒng)電路連接圖

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)采用低功耗的CMOS實時時鐘／日歷芯片PCF8563設(shè)計時鐘電路，它具有實時時鐘和可編程定時中斷輸出等功能，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行通信。系統(tǒng)采用HD7279A智能控制芯片完成信息的輸入顯示。該芯片具有串行接口，可同時驅(qū)動8位LED數(shù)碼管和連接64鍵鍵盤，芯片內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼和16進制碼。另外，芯片還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、段尋址等。圖5中的8個LED數(shù)碼管和4個按鍵分別用來顯示和設(shè)置經(jīng)緯度、時間信息。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序流程圖如下：

變頻器在此起到的作用如下。第一，作為控制系統(tǒng)，可以識別、判斷信號。太陽光線隨著時間的變化遵循一定的規(guī)律，可以將此預(yù)先保存在系統(tǒng)中，工作時，控制系統(tǒng)讀取實時時鐘的信息，并根據(jù)太陽光線變化的規(guī)律實現(xiàn)粗略跟蹤。第二，通過改變頻率、電壓來控制電機的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電池板與太陽光線偏差較大時，讓電機轉(zhuǎn)速稍快，實現(xiàn)粗略跟蹤；電池板與太陽光線偏差較小時可使電機轉(zhuǎn)速變慢，通過感應(yīng)信號的大小比較，找到一個光強最大的位置，從而實現(xiàn)跟蹤更加準(zhǔn)確，并節(jié)省系統(tǒng)用電量。第三，在光電跟蹤中，電機轉(zhuǎn)速不可調(diào)，跟蹤過程中電池板有可能偏轉(zhuǎn)過度，導(dǎo)致來回

4 結(jié) 論

裝置優(yōu)點如下：

（1）采用實時時鐘作粗略判斷，受地域限制??；

（2）利用變頻器的控制電路，采用間斷跟蹤，即有陽光時跟蹤，無陽光時關(guān)閉系統(tǒng)，節(jié)省電能；

（3）通過改變頻率、電壓來控制電機的轉(zhuǎn)速。這樣既可以實現(xiàn)精確的跟蹤又節(jié)省了系統(tǒng)的用電量，從而間接的達到了提高太陽能利用率的目的；

（4）變頻器低速時提高起動轉(zhuǎn)矩，大幅度提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，縮短響應(yīng)時間；

（5）延長電機的使用壽命。

綠色、清潔能源是日后能源結(jié)構(gòu)的一個趨勢，太陽能行業(yè)具有無限廣闊的前景。該裝置利用變頻器自帶的控制電路控制整個系統(tǒng)，在跟蹤時可以改變電機轉(zhuǎn)速，達到精確跟蹤，節(jié)省系統(tǒng)用電量，具有視日軌跡跟蹤以及光電跟蹤的優(yōu)點，同時克服了兩者的一些缺點，進一步提高了太陽能利用率。本裝置可用于路燈、紅綠燈等交通設(shè)施，也可以為野外工作人員供電，具有較高的商業(yè)價值。

[1]余海.太陽能利用綜述及提高其利用率的途徑[J].新能源研究與利用，2004，（3）：34－37.

[2]馬正華，姚劉軍.一種高精度雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J].低壓電器，2011，16：35－38.

[3]李盛前，楊曉京.太陽能干燥器自動跟蹤系統(tǒng)研究[J].微處機理，2011（6）：70－72.

[4]高磊，謝玲玲，卓浩澤，等.基于步進電機細分驅(qū)動的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計[J].通用元器件，2011，13（12）：11－16.

[5]李兆又，張斌，程榮惠.變頻器原理與應(yīng)用淺析[J].輕工設(shè)計，2011，04：31.

[6]胡春媛，鮑威，馬濤，等.交流變頻調(diào)速技術(shù)及應(yīng)用[J].機械與電子，2008，22：81－82.

[8]呂汀，石紅梅.變頻器技術(shù)原理與應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社，2003，1：288－290.

[7]王海鵬，鄭成聰，徐丹，等.基于單片機的太陽自動跟蹤裝置的設(shè)計與制作[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2010，10（19）：51－55.

[8]方路線，等.太陽能跟蹤系統(tǒng)的實驗設(shè)計[J].大學(xué)物理實驗，2012（5）.

[9]黃顯吞.一種新穎直觀的變頻器的設(shè)計與制作[J].大學(xué)物理實驗，2012（2）：57－59.