雙軸光伏動(dòng)態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊春勇，倪文軍，蘇家儀，侯 金，鐘志有

(中南民族大學(xué)電子信息工程學(xué)院智能無(wú)線通信湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430074)

太陽(yáng)能是大自然賦予人類取之不盡，用之不竭的清潔能源，因此太陽(yáng)能光伏新技術(shù)在世界各國(guó)的能源工業(yè)中占有重要地位，并得到大力扶持.現(xiàn)有光伏技術(shù)中的太陽(yáng)能電池板多在安裝時(shí)就被固定了接收太陽(yáng)輻射的方向和姿態(tài)，固化狀態(tài)對(duì)太陽(yáng)能電池板對(duì)陽(yáng)光的利用率普遍較低，約為20%［1］，較大程度地影響了光伏技術(shù)的推廣應(yīng)用.利用自動(dòng)跟蹤技術(shù)提高太陽(yáng)能利用率已成為國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).

目前，國(guó)內(nèi)外研究利用自動(dòng)跟蹤技術(shù)提高光伏太陽(yáng)能利用率的工作主要集中在兩個(gè)方向:單軸跟蹤［2，3］的槽式［4］、平板聚光系統(tǒng)和雙軸跟蹤［5-8］的蝶式、塔式及菲涅爾聚光系統(tǒng).其中，單軸槽式跟蹤聚光技術(shù)發(fā)展較為成熟，現(xiàn)已投入到商業(yè)應(yīng)用，但槽式系統(tǒng)的接收器長(zhǎng)，散熱面大，與雙軸跟蹤系統(tǒng)相比，其熱損耗較大、跟蹤精度較低，而且其抗風(fēng)能力較弱，不適宜在大風(fēng)地區(qū)工作.與單軸槽式跟蹤聚光系統(tǒng)相比，雙軸塔式、蝶式跟蹤聚光［9，10］和線性菲涅爾聚光［11，12］供電系統(tǒng)有較高的太陽(yáng)能利用率，但雙軸塔式、蝶式跟蹤聚光系統(tǒng)適合于大規(guī)模(15MW以上)循環(huán)發(fā)電，投資成本較高，不適合野外獨(dú)立微小監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置供電、偏遠(yuǎn)山區(qū)或者民族地區(qū)居住較分散的農(nóng)牧民供電需求.另外，視日跟蹤［13］通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，在間斷時(shí)間內(nèi)調(diào)整太陽(yáng)能電池板的姿勢(shì)也可實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤，但輸出效率較低，大多作為輔助性的跟蹤方式.我們結(jié)合雙軸跟蹤與平板太陽(yáng)能電池分別在提高太陽(yáng)光輻射有效接收和低成本的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種雙軸式平板太陽(yáng)能光伏電池自動(dòng)向陽(yáng)跟蹤裝置，用以解決小微監(jiān)測(cè)系統(tǒng)或分散農(nóng)牧民家庭的供電需求.

本文采用低成本、低功耗的MSP430單片機(jī)作為核心控制器，通過(guò)掛載PID閉環(huán)控制算法程序，控制光電傳感器跟蹤太陽(yáng)輻射方向［14-17］，使太陽(yáng)能電池板接收太陽(yáng)輻射利用率達(dá)30%～40%.所開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)裝置可廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)和交通領(lǐng)域等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè);根據(jù)不同地域的需求，選擇不同功率的太陽(yáng)能電池板，價(jià)格低廉，可為國(guó)內(nèi)廣大的普通收入居民常年提供日常的家庭用電，為少數(shù)民族或偏遠(yuǎn)區(qū)域的發(fā)展提供有力的保障，有很高的經(jīng)濟(jì)收益和發(fā)展前景.

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的智能型雙軸向陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能帆板、光照傳感器、微控制器、步進(jìn)電機(jī)組成.光照傳感器采集不同方位的光強(qiáng)值，通過(guò)微控制器處理后的差值轉(zhuǎn)化為電脈沖，輸入給步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)能帆板按照光強(qiáng)差值減小的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，至差值為0，則步進(jìn)電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件實(shí)現(xiàn)

圖1 智能型雙軸向陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The block diagram of the intelligent two-axis control system for sun tracking

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 The hardware structure

圖3 光照傳感器的相對(duì)位置俯視圖Fig.3 The top view for the relative positions of light sensors

智能型雙軸向陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示.微控制器MSP430F149引腳資源分配如下:P6.0～P6.3給4個(gè)光照傳感器，其中分別為4相光照傳感器的采樣值;P5.0～P5.3分配給水平方向步進(jìn)電機(jī);P2.0～P2.3分配給垂直方向步進(jìn)電機(jī).傳感器陣列由放置在同一平面上的4個(gè)完全相同的光照傳感器組成，該平面與太陽(yáng)能電池板所在平面平行;光照傳感器的放置方位為東、西、南、北4個(gè)方向，圖3所示為4個(gè)光照傳感器的相對(duì)位置俯視圖.布置菱形傳感器陣列，可利用雙傳感器組的相對(duì)差值實(shí)時(shí)判斷某一時(shí)刻光強(qiáng)最大的具體方位，提高光強(qiáng)差的精確度，可使太陽(yáng)能電池板短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大功率點(diǎn).步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用ST公司高電壓、大電流的L298芯片，其最高工作電壓可達(dá)46V，瞬時(shí)峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A.步進(jìn)電機(jī)選用兩相四線混合式，出軸齒數(shù)為20，帶動(dòng)50齒的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng).選用太陽(yáng)能電池板的尺寸大小為48cm×38cm，額定功率為20W，額定電壓為22V，通過(guò)降壓電路為系統(tǒng)自身的步進(jìn)電機(jī)和其他負(fù)載供電.為支持太陽(yáng)能、220V市電和蓄電池三重電源保障，在供電系統(tǒng)中設(shè)計(jì)一個(gè)三級(jí)智能電源切換模塊，以此避免用戶或設(shè)備頻繁掉電，增強(qiáng)電源的續(xù)航能力.三級(jí)智能電源供電流程如圖4所示.12V蓄電池的工作方式為隨充隨用.當(dāng)光照強(qiáng)度足夠大時(shí)，由太陽(yáng)能電池板給12V蓄電池充電;當(dāng)光照較弱或?yàn)踉骑h過(guò)時(shí)，系統(tǒng)MCU根據(jù)4個(gè)光照傳感器其中一個(gè)的輸出電壓值與系統(tǒng)設(shè)定的電壓閾值相比較，如果高于閾值，則系統(tǒng)仍繼續(xù)根據(jù)光強(qiáng)差值減小的方向跟蹤;如果低于閾值，即不足以給12V蓄電池充電時(shí)，跟蹤系統(tǒng)程序關(guān)閉，此時(shí)啟動(dòng)二級(jí)供電電源，即市電.供電系統(tǒng)以蓄電池、市電、太陽(yáng)能形成供電隊(duì)列，保證了供電的穩(wěn)定性.

圖4 三級(jí)智能電源供電流程圖Fig.4 Three grades intelligent power supply

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)通過(guò)PID算法精確控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng).PID控制原理如圖5所示，其中r(t)為系統(tǒng)初始設(shè)定值，e(t)為反饋量，u(t)為控制量;c(t)為系統(tǒng)輸出量.

模擬PID算法的控制表達(dá)式為:

式中，e(t)為系統(tǒng)偏差，e(t)=r(t)－c(t);Kp為比例系數(shù)，Kp越大系統(tǒng)的調(diào)節(jié)速度越快;Ti為積分時(shí)間常數(shù)，Ti可提高系統(tǒng)的無(wú)差度;Td為微分時(shí)間常數(shù)，Td可預(yù)見(jiàn)系統(tǒng)偏差變化趨勢(shì)，超前控制并消除誤差.若定義Ki為積分系數(shù)，則為微分系數(shù)，則

為便于計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，將式(1)中的微分項(xiàng)用差分代替，積分項(xiàng)用矩形和式代替，可得式(2)的數(shù)字式PID表達(dá)式，即:

式(2)也可改寫(xiě)為式(3):

數(shù)字式PID控制算法可以分為位置式PID控制算法和增量式PID控制算法，本系統(tǒng)使用的是位置式PID控制算法，下面推導(dǎo)建立位置式PID控制算法的數(shù)學(xué)模型.由式(3)可得，第時(shí)刻PID調(diào)節(jié)表達(dá)式為:

將(3)－(4)，合并同類項(xiàng)可得式(5):

其中系數(shù)a0、a1、a2為中間變量.式(5)即為數(shù)字式PID控制算法的數(shù)學(xué)模型.由式(5)得系統(tǒng)偏差:e(k)=a0e(k)+a1e(k－1)+a2e(k－1).當(dāng)該項(xiàng)偏差為0時(shí)，即u(k)=u(k－1)，兩個(gè)不同時(shí)刻的系統(tǒng)輸出量相同，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)已處于穩(wěn)定狀態(tài).

根據(jù)式(5)，系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)如圖5所示.系統(tǒng)軟件控制程序由光照傳感器采樣子模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)子模塊，PID算法子模塊，太陽(yáng)能電池板自動(dòng)復(fù)位子模塊組成.程序從每天太陽(yáng)光強(qiáng)達(dá)到系統(tǒng)所設(shè)定閾值r(t)后，開(kāi)始啟動(dòng)全天候自動(dòng)跟蹤程序，開(kāi)啟內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘和傳感器采樣模塊，并通過(guò)閉環(huán)的PID算法，不斷反饋系統(tǒng)差值e(t)，最終迫使系統(tǒng)誤差e(t)減為零，系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài).當(dāng)光強(qiáng)低于設(shè)定的閾值r(t)時(shí)，系統(tǒng)不轉(zhuǎn)動(dòng).

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 The software flowchart

3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)論

圖6 兩種方案的平均輸出功率對(duì)比Fig6 Comparison of average output power

圖7 兩種方案的平均輸出電壓對(duì)比Fig7 Comparison of average output voltage

本系統(tǒng)考慮到當(dāng)日17:00至次日7:00幾乎無(wú)光強(qiáng)或光強(qiáng)很弱，因此設(shè)計(jì)該時(shí)間段內(nèi)采用市電或蓄電池供電.為完成實(shí)驗(yàn)測(cè)試，選擇設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)終端作為測(cè)試對(duì)象，主要由光照強(qiáng)度傳感器、溫濕度傳感器、大氣CO2濃度傳感器、土壤濕度傳感器、土壤水溶液Ph傳感器組成.研究小組分別于2012年10月24日、11月18日、12月18日，在晴朗、寬敞、明亮的野外環(huán)境下，測(cè)得這3天中7:00～17:00時(shí)間段內(nèi)太陽(yáng)能電池板的統(tǒng)計(jì)平均輸出功率與統(tǒng)計(jì)平均輸出電壓(數(shù)值結(jié)果展示分別如圖6、7所示)，兩曲線每個(gè)時(shí)段的平均輸出功率一一對(duì)應(yīng).從圖6，7中可看出，7:00～10:00，15:00～17:00時(shí)間段內(nèi)，固定式較雙軸式太陽(yáng)能裝置吸收的太陽(yáng)能少;11:00～14:00時(shí)間段內(nèi)，固定式與雙軸式平均輸出功率的峰值基本相同;得出的平均輸出電壓與平均輸出功率的曲線走向基本一致.經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，每日13:00～17:00，雙軸式平均輸出功率的漸趨線為y1=－1.73x+21.25;固定式平均輸出功率的漸趨線為y2=－3.08x+22.62;其中 y為平均輸出功率，x為時(shí)間(h).將y1與y2的差值對(duì)時(shí)間積分后除以y2在該時(shí)段內(nèi)的積分，得出雙軸式提高的輸出功率約為20%.同理，在時(shí)段7:00～12:00得到兩曲線的漸趨線后，積分得雙軸式在該時(shí)段內(nèi)提高的輸出功率約為17%.因此，雙軸式全天跟蹤比固定式太陽(yáng)能裝置可平均提高37%左右的太陽(yáng)能利用率.經(jīng)實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)正常跟蹤時(shí)，水平方向步進(jìn)電機(jī)消耗功率為3.2～4W，垂直方向步進(jìn)電機(jī)額定功率為5.5～6W，單片機(jī)消耗的功率不足1W;因此，系統(tǒng)自身在正常跟蹤時(shí)消耗的總功率約為10W;太陽(yáng)能電池板可提供額定功率為20W的電能，可為野外植物生理監(jiān)測(cè)裝置等提供足夠電能.

4 結(jié)語(yǔ)

本文利用PID閉環(huán)控制算法設(shè)計(jì)并制作的智能型雙軸向陽(yáng)動(dòng)態(tài)跟蹤控制系統(tǒng)與裝置，將太陽(yáng)能電池板的利用率提高了37%左右，保證了正常光照條件下，輸出電量滿足實(shí)際要求;還設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能、220V市電、蓄電池三級(jí)電源供電隊(duì)列，確保太陽(yáng)能系統(tǒng)在掉電情況下仍能給受電系統(tǒng)正常供電，有效地延長(zhǎng)了全系統(tǒng)工作時(shí)間.智能型雙軸向陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)提高太陽(yáng)能的利用率，有效地解決了我們前期開(kāi)發(fā)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)終端［18］供電復(fù)雜、偏遠(yuǎn)山區(qū)供電難等問(wèn)題，有較高的工程應(yīng)用價(jià)值.

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