應(yīng)用于聚光光伏系統(tǒng)的高精度跟蹤器的研究

■ 盛飛 呂輝* 官成鋼

(1. 湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心；2. 湖北工業(yè)大學(xué)理學(xué)院；3. 武漢凹偉能源科技有限公司)

0 引言

自第三代多結(jié)聚光太陽電池出現(xiàn)以來，雖然單個太陽電池的光電轉(zhuǎn)化效率不斷有所提升，但是要提高整個光伏系統(tǒng)發(fā)電效率，聚光模組受光面垂直于太陽光照方向的精確度是其關(guān)鍵所在[1-2]。為此，本文設(shè)計一種具有高精度、高穩(wěn)定性、低成本的太陽能跟蹤器應(yīng)用于聚光發(fā)電模組，在一定程度上提高太陽能量接收效率，從而提高整個光伏系統(tǒng)發(fā)電效率。

1 太陽能自動跟蹤器的設(shè)計及工作原理

1.1 自動跟蹤器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計結(jié)構(gòu)選用4片LXD1010CE硅光電池，應(yīng)用于自動跟蹤器外部四象限分布；4片BH1603FVC光敏傳感器芯片應(yīng)用于自動跟蹤器內(nèi)部四象限分布[3-4]；內(nèi)外傳感芯片分布相互對應(yīng)，其分布情況如圖1所示。

1.2 自動跟蹤器的工作原理

如圖1所示，在太陽光照下，外罩對應(yīng)面上的兩片硅光電池受太陽光照射產(chǎn)生光感電流，經(jīng)過電子控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)化、放大、濾波及比較運算處理，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使跟蹤器向光感電流大的方向移動，使得外罩對應(yīng)兩片硅光電池產(chǎn)生光感電流值大致相等。這時，太陽光基本上由頂部圓孔進(jìn)入罩內(nèi)并照射到與外罩對應(yīng)方向的內(nèi)部光敏傳感器芯片(或受部分光照)；同時，電子控制系統(tǒng)從采集外部光感電流自動切換到采集內(nèi)部光敏電流，經(jīng)過電子控制系統(tǒng)分析處理并驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)使跟蹤器向光敏電流小(或無)的方向移動，使得對應(yīng)方向光敏傳感器產(chǎn)生的光敏電流值基本相等[5-6]。

圖1 太陽能自動跟蹤器俯視圖和側(cè)面橫截面圖

前半部分稱為自動跟蹤的粗調(diào)制過程，目的是為了在罩內(nèi)無任何光線的情況下可確定太陽大致方位；后半部分稱為自動跟蹤的精調(diào)制過程，設(shè)置頂部圓孔目的是為了避免白天光線的衍射光照影響跟蹤器的精度，在有太陽光照的情況下，圓孔邊緣輪廓很清晰地投影于四象限光敏傳感器芯片外邊緣。通過編程設(shè)置相應(yīng)的轉(zhuǎn)化光電壓閾值，使得粗調(diào)制與精調(diào)制在CPU的處理下自動切換，并驅(qū)動電機(jī)運轉(zhuǎn)，實時采集數(shù)據(jù)，以達(dá)到對太陽方位精確定位的目的。

2 電子控制系統(tǒng)設(shè)計

依據(jù)上述結(jié)構(gòu)和工作原理，電子控制系統(tǒng)采用32位RISC架構(gòu)ARM7TDMI內(nèi)核處理器ADuC7022為主控芯片，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)控制硬件的設(shè)計重點在于光電信號處理、電源供電及執(zhí)行層電路的設(shè)計。硅光電池將太陽光照轉(zhuǎn)化為電流信號，經(jīng)過AD8615等放大、濾波操作處理轉(zhuǎn)化為CPU的ADC模塊能識別的電壓信號，經(jīng)處理后利用其PWMTRIP模塊實現(xiàn)對L298P電機(jī)驅(qū)動芯片的相應(yīng)拐角使能，以達(dá)到對步進(jìn)電機(jī)的高精度控制。L298P最高工作電壓可達(dá)46 V，電流瞬間峰值可達(dá)3 A，持續(xù)工作電流為2 A，完全可保證步進(jìn)電機(jī)正常供電。當(dāng)然，產(chǎn)生的PWMTRIP信號不能直接接到L298P上，須經(jīng)過芯片PS2705進(jìn)行光耦隔離，避免電機(jī)線圈產(chǎn)生電感干擾整個電路網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)利用7022的I2C模塊實時讀取DS3231時鐘芯片，完成實時數(shù)據(jù)的計算和處理。通過RS232芯片與CPU通信，可完成對系統(tǒng)的軟件控制。

軟件編程方面，系統(tǒng)的工作時間為07:00～17:00，復(fù)位時間為06:00～06:30，其他時間處于休眠狀態(tài)。在工作時間且有光照時，電子控制系統(tǒng)才開始進(jìn)行粗、精跟蹤的切換工作，以達(dá)到對太陽方位的精確定位。隨時間的推移，對CPU實時采集光感芯片產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，形成一種閉環(huán)主動跟蹤太陽的工作模式[7-8]。工作中，當(dāng)四象限采集數(shù)值突然變得很小或沒有時，可能受空中漂浮物干擾或變天而使光照陡然減弱的影響，此時系統(tǒng)自動切換為外部粗跟蹤重新開始太陽方向定位。其軟件控制流程圖如圖3所示。

圖3 軟件控制流程圖

3 太陽能自動跟蹤器精確度誤差分析及測試

3.1 四象限光感芯片選取分析

太陽的輻射能量主要集中在200～1400 nm的光譜范圍內(nèi)，能到達(dá)地球的太陽輻射較集中在短波譜范圍。本設(shè)計使用的四象限硅光電池片的光譜響應(yīng)范圍在360～1100 nm[9]，比較符合到達(dá)地球的太陽輻射光譜，所以，我們選用LXD1010CE型硅光電池片和BH1603FVC光敏傳感器作為跟蹤器的光感芯片。四象限硅光電池的響應(yīng)一致性直接影響到跟蹤器跟蹤精度和穩(wěn)定性，所以，為了得到四象限對均勻光入射時的響應(yīng)一致性，我們做了類似于QP50-6-TO8探測器的檢測試驗[10]，篩選出同一四象限內(nèi)對應(yīng)方向產(chǎn)生光電流及通過I-V轉(zhuǎn)換電路輸出電壓信號一致性的光感芯片，可有效降低相同狀況下產(chǎn)生不可避免的誤差。圖4為來自不同公司芯片Datasheet中的光電流與太陽均勻光照一致性數(shù)據(jù)圖。

圖4 兩款光感芯片光電流的一致性

在數(shù)據(jù)傳輸過程中，應(yīng)盡量減少數(shù)據(jù)線的長度和增強(qiáng)硬件電路可靠性來提高數(shù)據(jù)傳輸效率，使數(shù)據(jù)的采集與步進(jìn)電機(jī)運轉(zhuǎn)盡量達(dá)到同步，最終提高整個系統(tǒng)運作的精確度與穩(wěn)定性。當(dāng)然，系統(tǒng)中不免有些難以消除的影響因素，難免會產(chǎn)生相應(yīng)誤差。

3.2 長筒測量儀的誤差分析

自動跟蹤器的跟蹤精度是由內(nèi)部四象限精跟蹤決定的。硅光電池與光感芯片的靈敏度固定，所以要提高跟蹤精度只能從其設(shè)計結(jié)構(gòu)入手。自動跟蹤器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其外圓直徑為7.5 cm，頂部圓孔直徑為2 cm，內(nèi)部四象限光感芯片(尺寸2.6 mm×1.6 mm×0.75 mm)平面到頂部圓孔垂直距離為7.5 cm。針對如何確定跟蹤器跟蹤精度的有效性，我們運用長筒測量儀來直觀表現(xiàn)。

長筒測量儀頂部入射光孔(直徑4 mm)到底部投影圓心的垂直距離為H=56 cm，長筒測量儀的底部是由光刻的同心圓環(huán)組成的平面，中心圓環(huán)直徑R約為4.98 mm，往外依次直徑為5.95 mm、7.91 mm、9.86 mm、11.82 mm(按照四舍五入取值)的圓環(huán)分布。依據(jù)直角三角形的正切計算，其入射誤差角θ為：

經(jīng)過計算，其太陽光照垂直分辨率(誤差角θ)依次為 0.05°、0.1°、0.2°、0.3°、0.4°，具體分布情況如圖5所示。

圖5 長筒測量儀底部精確度表盤分布圖

在對太陽方位的實際跟蹤過程中，將跟蹤器底部與長筒測量儀底部置于同一水平面上，并與聚光發(fā)電模組受光面平齊。經(jīng)過反復(fù)試驗與測量記錄，跟蹤器正對太陽方位的情況下，長筒頂部入射光孔在底部同心圓環(huán)的投影始終處于中心圓環(huán)內(nèi)部，單個聚光發(fā)電模塊的發(fā)電功率也明顯增大，即跟蹤器的跟蹤精度達(dá)到了預(yù)期，其跟蹤誤差為±0.05°。跟蹤器的實際跟蹤情況如圖6所示。

圖6 太陽能自動跟蹤器精確對準(zhǔn)太陽方位實物圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種高精度的太陽能自動跟蹤器。通過改進(jìn)原有跟蹤器中光敏元器件及分布結(jié)構(gòu)，加上穩(wěn)定性高的硬件電路和可靠的軟件程序綜合控制，并結(jié)合高精度檢測偏斜角度的長筒測量儀，明顯驗證了自動跟蹤器對太陽方位確定的跟蹤精度。通過實踐驗證，的確具有非常好的跟蹤效果，在太陽光照達(dá)到一定強(qiáng)度時其跟蹤精度可達(dá)0.05°，成本相對較低，跟蹤器的穩(wěn)定性也比較可靠。配合具有菲涅爾透鏡的多結(jié)聚光發(fā)電模組，使光伏發(fā)電系統(tǒng)整體效率大為提高，具有較高的實際應(yīng)用價值。

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