光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

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(中原工學院，鄭州 450007)

近年來，新能源的發(fā)展為日趨嚴重的能源危機帶來了曙光。光伏發(fā)電作為新能源利用方式之一，因其清潔環(huán)保、儲量巨大、利用方便等優(yōu)勢而發(fā)展非常迅速。但其較低的光電轉(zhuǎn)換效率和較高的開發(fā)成本卻制約了光伏發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。為了提高光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本，本文利用太陽跟蹤技術(shù)，設(shè)計了高精度的光伏發(fā)電跟蹤控制器。所謂太陽跟蹤技術(shù)就是使太陽能收集器表面法線依照太陽運動規(guī)律作相應(yīng)運動，使太陽光入射角減小的技術(shù)[1]。

1 跟蹤控制方法的優(yōu)化

目前，光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)采用的跟蹤方式主要有光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤。為了提高跟蹤精度，人們更多地選擇光電跟蹤與視日運動軌跡跟蹤相結(jié)合的跟蹤控制方式[2]。在文獻[3]中，系統(tǒng)可根據(jù)天氣情況轉(zhuǎn)換跟蹤方式，晴天時采用光電跟蹤方式，陰天時切換到視日運動軌跡跟蹤方式。兩種跟蹤方式相互切換，可達到對太陽高精度跟蹤的目的。在文獻[4]中，系統(tǒng)采用兩級混合跟蹤，第一級采用視日運動軌跡跟蹤，第二級采用光電跟蹤。實際上，這種跟蹤方法為滯后跟蹤(正向跟蹤時)或超前跟蹤(反向跟蹤時)[5]，即電池板法線始終滯后或超前于太陽入射光線。這些跟蹤方法雖然可以通過縮短跟蹤時間間隔來提高太陽輻射利用率，但增加了系統(tǒng)的功耗和電機啟動停止的頻率，會減少電機本身的壽命[6]。為此，本文采用一種交錯跟蹤方式，在不增加系統(tǒng)功耗和電機啟、停頻率的條件下提高對太陽輻射能量的利用率。

圖1所示為跟蹤模型圖。在日地平均距離下，假設(shè)在A處太陽初始輻射強度為R0時電池板正對太陽光照射，為了方便計算，將某段時間內(nèi)太陽輻射強度的變化視為線性變化，即R=R0+kt，其中k為線性系數(shù)，t為時間變量。在跟蹤過程中，太陽光線隨時間推移轉(zhuǎn)動一個角度θ,則電池板法線方向上的太陽輻射強度為：

圖1 跟蹤模型圖

Rn=(R0+kt)cosθ

(1)

將式(1)對時間進行積分，則可以計算電池板的太陽輻射能量：

(2)

假設(shè)系統(tǒng)跟蹤過程中太陽在tA時刻A處的運行位置與電池板重合，此時控制系統(tǒng)立即啟動視日運動軌跡跟蹤模式，讓電機帶動電池板旋轉(zhuǎn)到tB時刻的B處，再等待跟蹤時間間隔T，太陽運行到C處。在此過程中，太陽運行必定經(jīng)過B處與電池板位置重合,完成一個周期跟蹤調(diào)整。如此循環(huán)，實現(xiàn)全天自動跟蹤太陽的目的。電池板法線與太陽入射光線的位置關(guān)系為超前、重合、滯后。若跟蹤時間間隔0

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)主要由DSP控制器、時鐘模塊、光電檢測模塊、位置檢測模塊、驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)、太陽能電池板等部分組成。DSP作為整個控制系統(tǒng)的核心部分，負責運算和控制。時鐘模塊負責把全年每天的時間信息提供給DSP。光電檢測模塊包括光電探測器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等。位置檢測模塊包括光電編碼器、正交編碼電路等。驅(qū)動傳動執(zhí)行機構(gòu)包括驅(qū)動電路和直流減速電機、傳動機械裝置等。圖2所示為光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)采用視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的控制方式。與以往控制策略不同，本文優(yōu)化了跟蹤控制方式，即在跟蹤時刻選擇視日運動軌跡跟蹤模式，調(diào)整電池板到滯后30 min時刻的位置，系統(tǒng)存儲當前位置信息，等待30 min，啟動光電跟蹤模式，校正視日運動軌跡跟蹤產(chǎn)生的誤差。光電檢測模塊檢測到位置信號的電壓差值超過閾值時立即將此信號放大，經(jīng)控制器分析處理后發(fā)出指令，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，直至電壓差值小于閾值，保證電池板精確跟蹤太陽。再等待30 min后，進入下一次跟蹤，如此循環(huán)，實現(xiàn)全天跟蹤。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件設(shè)計

DSP控制器因其先進的軟、硬件結(jié)構(gòu)，且具有事件模塊管理功能及快速中斷處理功能，以及價格日趨降低等優(yōu)勢，而越來越成為一種極為方便地實現(xiàn)數(shù)字化控制的微處理器[7]。因此，本文選用合眾達 SEED-DEC2812開發(fā)板作為光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)的核心。

3.1.1 時鐘模塊

合眾達SEED-DEC2812開發(fā)板上配置有X1226實時時鐘和512×8位的串行EEPROM，可以產(chǎn)生年、月、日、星期、時、分、秒等時間信息，采用串行IIC總線與微處理器接口，可以存儲定值，非常適用于工業(yè)控制場合。X1226與F2812及晶振連接如圖3所示。

圖3 X1226與F2812及晶振連接圖

3.1.2 光電檢測模塊

圖4 光電探測器模型圖

圖5 光電探測器的側(cè)視圖

3.1.3 驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)

本文選用直流減速電機作為驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，它內(nèi)部的減速機構(gòu)簡化了系統(tǒng)機構(gòu)設(shè)計，以L298N為控制芯片，驅(qū)動直流減速電機。L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，驅(qū)動電壓可達46 V，直流電流總和可達4 A，內(nèi)部有2個完全相同的PWM功率放大回路，兩路輸出可分別控制電機水平方向和俯仰方向旋轉(zhuǎn)。直流電機的驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 直流電機驅(qū)動電路圖

3.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)控制流程如圖7所示。系統(tǒng)首先初始化相應(yīng)模塊，再讀取當前時間，判斷是否在跟蹤時間范圍(7：00-18：00)內(nèi)。系統(tǒng)首次跟蹤時刻在7：00時，選擇視日運動軌跡跟蹤方法讓電機旋轉(zhuǎn)到7：30時的位置，到7：30時再通過光電檢測模塊檢測光強偏差是否超過閾值，若超過光強閾值，則啟動光電跟蹤，再休眠30 min，到8：00時進入下次跟蹤。如此循環(huán)，到18：00時系統(tǒng)停止跟蹤，實現(xiàn)全天自動跟蹤太陽的目的。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

4 實驗和分析

利用天文觀測軟件SkyMap計算鄭州地區(qū)(東經(jīng)112°36′，北緯34°42′)某天的太陽高度角和方位角數(shù)據(jù)，將其作為理論真值，與系統(tǒng)運行測試值對比。系統(tǒng)通過直流減速電機(減速比為1∶300)自帶的光電編碼器記錄每次轉(zhuǎn)過的角度。實驗記錄了2013年12月2日系統(tǒng)實際運行的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)跟蹤精度小于1°。表1為SkyMap計算值與系統(tǒng)實測值的數(shù)據(jù)對比。實驗中還測試了固定式和跟蹤式兩種裝置從7：30到17：30的采樣光強大小。圖8所示為固定式裝置和跟蹤式裝置接收光強的對比圖。從圖8可以看出，跟蹤式裝置光強接近或超過500 W/m2的時間有6 h，比固定式多3 h，能夠提高太陽輻射能量利用率。

表1 SkyMap計算值與系統(tǒng)實測值

圖8 兩種裝置接收光照強度對比圖

5 結(jié) 語

本文設(shè)計的光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)晴天運行良好；短暫陰云天可以自動停止光電跟蹤，只進行視日運動軌跡跟蹤；長時間的陰雨天系統(tǒng)停止跟蹤。它采用優(yōu)化的跟蹤控制方法，使電機停止啟動次數(shù)減少，且提高了太陽輻射利用率。該系統(tǒng)設(shè)計簡單，跟蹤精度高，運行穩(wěn)定可靠。

參考文獻：

[1] 李鵬，廖錦城，蔡蘭蘭，等.雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)運動控制規(guī)律的研究[J].機械制造，2010，48(6)：23-26.

[2] 王尚文，高偉，黃樹紅，等.混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J].可再生能源，2007，25(6)：10-13.

[3] 侯長來.太陽跟蹤裝置的雙模式控制系統(tǒng)[J].可再生能源，2010，28(1)：89-92.

[4] 馮作全，賀成柱.基于TMS320F2812 DSP的定日鏡跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].機械研究與應(yīng)用，2012(4)： 164-168.

[5] 彭春明.基于嵌入式的光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京理工大學，2012.

[6] 常玲.步進電機啟動頻率對太陽能發(fā)電系統(tǒng)效率影響[J].電子科技，2012，25(6)：142-148.

[7] 楊志成，柳浩，孔翔斌，等.基于DSP的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)研究[J].計算技術(shù)與自動化，2011，30(2)：38-41.