太陽能光伏追蹤控制系統(tǒng)的研究

王 瑜，傅明星

（陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

0 引言

能源問題在當(dāng)今世界已經(jīng)成為社會關(guān)注的一個(gè)焦點(diǎn)問題，然而地球上所采集的太陽能非常巨大，照射在地球上約40min的太陽能便可供全球人類一年的能量消費(fèi)，所以太陽能是取之不盡、用之不竭的能源［1］。而且太陽能絕對綠色、環(huán)保，可再生而且分布廣泛，因此太陽能具有非常廣闊的利用前景，被譽(yù)為最理想的能源之一［2］。通過對太陽運(yùn)動規(guī)律的解讀，本文闡述了改進(jìn)光伏跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分、控制部分及其控制原理、系統(tǒng)整體軟件的設(shè)計(jì)，從而提高了太陽能光伏自動追蹤控制器系統(tǒng)的太陽能利用率。

1 光伏跟蹤系統(tǒng)方案及框架思路

1.1 太陽運(yùn)動的規(guī)律

地球極軸和黃道天球極軸存在一個(gè)23°27′的夾角，引起了太陽赤緯角在一年中的變化。冬至?xí)r這個(gè)角為-23°27′，并逐漸增大；而到春分時(shí)變?yōu)?°，并繼續(xù)增大；夏至?xí)r赤緯角最大為23°27′，并開始減??；而到秋分時(shí)赤緯角又變?yōu)?°，并繼續(xù)減小，直到冬至，另一個(gè)變化周期開始［3］。太陽的方位角隨時(shí)間在不停地變化，具體規(guī)律如圖1所示［4］，圖中α為高度角，γ為方位角。

1.2 方案設(shè)計(jì)

目前，太陽追蹤方式很多，比如時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式及用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置［5］。本文研究的太陽能光伏自動跟蹤系統(tǒng)是機(jī)電一體化設(shè)備的典型案例，相比較而言，采用集成度高、體積小、可靠性好、控制功能強(qiáng)和低電壓、低功耗、易擴(kuò)展并且具有優(yōu)異的性能價(jià)格比的單片機(jī)控制系統(tǒng)去實(shí)現(xiàn)太陽能光伏自動跟蹤系統(tǒng)的控制是較好的選擇。而基于單片機(jī)的太陽自動追蹤系統(tǒng)有很多，比較常見的有光電檢測追蹤方式和視日運(yùn)動軌跡追蹤方式，本文研究的方法是綜合兩種跟蹤方法的優(yōu)點(diǎn)、改善它們的缺點(diǎn)，并把兩者有機(jī)地結(jié)合起來，采用視日運(yùn)動軌跡追蹤方式和雙軸高度角、方位角式跟蹤，因?yàn)槔碚撋咸柟饩€的入射角可以為0°，實(shí)現(xiàn)全日跟蹤，使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定，大大提高了太陽能的利用效率［6］。

圖1 太陽位置隨時(shí)間變化示意圖

（1）光電跟蹤：常見的光電跟蹤是采用一級傳感器跟蹤方式，該跟蹤系統(tǒng)原則上由3大部件組成：位置檢測器、控制組件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（步進(jìn)電機(jī)）。位置檢測器主要由性能經(jīng)過挑選的光敏傳感器組成，如光敏二極管、光敏電阻等?？刂平M件主要接收從位置檢測器發(fā)來的微弱信號，經(jīng)放大后送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)為跟蹤裝置的動作原件［7］。

（2）視日運(yùn)動軌跡跟蹤：視日跟蹤是根據(jù)太陽在天空中的運(yùn)行軌跡隨著每天的時(shí)間和日期的周期性變化得來的，用51單片機(jī)來控制跟蹤的方案，可以根據(jù)太陽角度與時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系來控制雙軸電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，從而使得實(shí)驗(yàn)板與太陽光線保持垂直［8］。不論是采用極軸坐標(biāo)系統(tǒng)還是地平坐標(biāo)系統(tǒng)，太陽運(yùn)行的位置變化都是可以預(yù)測的，通過數(shù)學(xué)上對太陽軌跡的預(yù)測可完成對日跟蹤［9］。

綜上，從產(chǎn)品可靠性角度以及性價(jià)比角度考慮，本設(shè)計(jì)選擇視日跟蹤與光電跟蹤相結(jié)合的方法，在跟蹤太陽光線的過程中以時(shí)間程序控制為主線，能夠自動更正不同時(shí)間的位置坐標(biāo)，跟蹤控制線始終維持太陽能板正對太陽，完成精確的太陽定位。

1.3 系統(tǒng)框架

該光伏跟蹤系統(tǒng)分機(jī)械部分和控制部分。

（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括底座、兩個(gè)電機(jī)、兩個(gè)主軸和太陽能板等。當(dāng)光線發(fā)生偏離時(shí)，控制部分發(fā)出控制信號驅(qū)動兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)分別帶動兩個(gè)軸共同工作實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤［10］。理想情況下的太陽能跟蹤裝置示意圖如圖2所示。

圖2 太陽能跟蹤裝置示意圖

（2）控制部分主要由時(shí)鐘控制及顯示部分、單片機(jī)系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動電路組成。系統(tǒng)以時(shí)間程序跟蹤為主線進(jìn)行太陽能板位置定位，實(shí)現(xiàn)對太陽能板的精確追蹤［11］。

2 光伏跟蹤控制系統(tǒng)工作原理

該裝置為雙軸跟蹤系統(tǒng)，豎直軸可實(shí)現(xiàn)方位角的跟蹤，水平軸可實(shí)現(xiàn)高度角跟蹤［12］。機(jī)械結(jié)構(gòu)主要包括底座、主軸、齒輪和軸承等。太陽能板采用直板式。

本系統(tǒng)每個(gè)模塊之間通過核心單元連接，并通過一系列的數(shù)據(jù)處理得到相應(yīng)的控制信號，外圍驅(qū)動將控制器發(fā)出的控制信號進(jìn)行合理的轉(zhuǎn)換，從而帶動電機(jī)使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作［13］。整個(gè)系統(tǒng)采用了15V和5V兩種電源進(jìn)行供電，其中5V電源是15V電源經(jīng)過相應(yīng)的濾波、穩(wěn)壓而形成的，供電電源只需滿足電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)所需的最大電流，即可保證系統(tǒng)的各模塊正常工作。其控制部分原理框架如圖3所示。

光伏板的自由度是2，控制機(jī)構(gòu)將分別從東西與南北方向?qū)μ柲馨暹M(jìn)行調(diào)整，將東西方向168.75°劃分為若干等分；單片機(jī)以DS1302時(shí)鐘芯片作為計(jì)時(shí)單元，根據(jù)時(shí)間等間隔地控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，主軸電機(jī)步距角為1.8°，采用Tb6560芯片將控制脈沖進(jìn)行16細(xì)分，實(shí)現(xiàn)小角度的旋轉(zhuǎn)；設(shè)定的時(shí)間是從早晨6：00開始跟蹤太陽光線，到晚上18：00時(shí)沿X軸方向的電機(jī)反轉(zhuǎn)到早晨太陽升起的地方，將12個(gè)小時(shí)劃分為1 600個(gè)等分，時(shí)鐘芯片以秒為單位，每隔27s向電機(jī)驅(qū)動模塊發(fā)送轉(zhuǎn)動脈沖，使電池板沿X軸方向正向轉(zhuǎn)動一定角度（0.112 5°），如圖4所示，使得跟蹤更加準(zhǔn)確可靠，提高了太陽能的利用效率［14］。

圖3 控制部分原理框架

圖4 東西方向追蹤示意圖

3 系統(tǒng)整體軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)所選系統(tǒng)硬件及機(jī)械裝置進(jìn)行了系統(tǒng)軟件的整體性設(shè)計(jì)，軟件起始為系統(tǒng)初始化，根據(jù)時(shí)鐘模塊所決定的時(shí)間大小進(jìn)行計(jì)算，得到本時(shí)刻太陽所正對的直射角度，程序通過相應(yīng)的計(jì)算與轉(zhuǎn)化以實(shí)現(xiàn)跟蹤器的角度對準(zhǔn)［15-19］。具體的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

可見：用時(shí)間的方法控制東西方向電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)太陽能板對太陽光線跟蹤的控制，使得太陽能板能夠準(zhǔn)確定位。

4 總結(jié)

本文所研究的太陽能光伏自動跟蹤系統(tǒng)是以51單片機(jī)為基礎(chǔ)，全過程全方位時(shí)間控制為依托，再聯(lián)合機(jī)械裝置完成對太陽光線的跟蹤，確保了太陽能板始終與太陽光線垂直，完成了跟蹤任務(wù)。它具有以下特點(diǎn)：

（1）采用51單片機(jī)控制，主線以時(shí)間控制為主，實(shí)現(xiàn)太陽能板位置的按時(shí)定位；判斷太陽所在的位置并進(jìn)行跟蹤?？刂齐姍C(jī)的正反轉(zhuǎn)，跟蹤精確，實(shí)現(xiàn)簡單。

（2）機(jī)械部分做了一個(gè)簡易的模型，可以從東西和南北兩個(gè)方向來確定太陽能板的位置，機(jī)械部分的模擬形象且能實(shí)現(xiàn)較為精確的太陽能板的定位。

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