太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅金玲

摘 要：針對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電采用固定式方案對(duì)太陽(yáng)能利用率不高的問(wèn)題，設(shè)計(jì)出了太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)。該方案首先對(duì)光伏發(fā)電進(jìn)行了敘述，分析了光伏電池的發(fā)電原理及光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)和不足；其次對(duì)光電跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤這兩種自動(dòng)跟蹤方式進(jìn)行了詳細(xì)分析；最后對(duì)自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電；自動(dòng)跟蹤；太陽(yáng)能；利用率

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人類對(duì)于能源的需求量越來(lái)越大，這使得不可再生能源（煤、天燃?xì)獾龋┳兊萌找娑倘薄．?dāng)前，世界各國(guó)對(duì)于新的可再生能源的研發(fā)重視程度日益提高，太陽(yáng)能作為綠色無(wú)污染能源且具有適合長(zhǎng)期可持續(xù)發(fā)展的獨(dú)有優(yōu)勢(shì)受到人們熱捧。我國(guó)幅員遼闊，具有豐富的太陽(yáng)能資源，提高太陽(yáng)能的利用率，可為我國(guó)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供強(qiáng)有力的動(dòng)力支援。當(dāng)前，如何提高太陽(yáng)能的接收效率成為研發(fā)的重點(diǎn)。

1 光伏發(fā)電

1.1 光伏電池

太陽(yáng)能光伏發(fā)電主要通過(guò)光伏電池進(jìn)行光能和電能之間的轉(zhuǎn)化，通過(guò)PN結(jié)的電場(chǎng)效應(yīng)產(chǎn)生電能。當(dāng)前光伏電池的種類很多，制作工藝也有很多種，其原理是一致的，如圖1 所示。

光伏電池的發(fā)電效率隨著太陽(yáng)光譜分布、太陽(yáng)光強(qiáng)度及電池自身溫度等的變化而不斷變化。

1.2 光伏發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)

光伏電池是以PN結(jié)半導(dǎo)體為主，在地球上擁有豐富的半導(dǎo)體制作原材料——硅，因此光伏發(fā)電與傳統(tǒng)的發(fā)電設(shè)備相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）太陽(yáng)能非常豐富，取之不盡，用之不竭，在當(dāng)前看來(lái)，太陽(yáng)能是一種可以“無(wú)限”使用的可再生免費(fèi)能源。

（2）光伏發(fā)電不會(huì)產(chǎn)生噪聲、有害氣體、磁場(chǎng)、光等對(duì)人體造成影響的污染物，是真正的綠色環(huán)保能源。

（3）適合于各種有太陽(yáng)光照的環(huán)境，一旦安裝調(diào)試成功，無(wú)需進(jìn)行材料的運(yùn)輸。

（4）當(dāng)前的光伏設(shè)備的使用壽命一般長(zhǎng)達(dá)25年以上，隨著工藝和技術(shù)的提高，其使用壽命還會(huì)不斷增長(zhǎng)。

1.3 光伏發(fā)電的不足

光伏發(fā)電的能力與太陽(yáng)光的強(qiáng)度有著直接的關(guān)系，當(dāng)前社會(huì)上的光伏設(shè)備一旦安裝，在一天之中，其發(fā)電的能力隨著太陽(yáng)的轉(zhuǎn)動(dòng)而不同，這使得發(fā)電的效率受到極大的影響。另外，自然界中的風(fēng)也可能改變光伏電池原有的位置，嚴(yán)重影響光伏電池的發(fā)電效率。

2 逐日跟蹤方式

太陽(yáng)光與發(fā)電效率之間的關(guān)系已經(jīng)被越來(lái)越多的理論所驗(yàn)證，當(dāng)前，人們對(duì)于太陽(yáng)的跟蹤也提出了越來(lái)越多的方法。將這些方法進(jìn)行總結(jié)，其主要的方式有光電跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種。

2.1 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

日出日落都有特定的軌跡，有規(guī)律可循。太陽(yáng)每天所在的位置可根據(jù)當(dāng)?shù)丶竟?jié)和氣候特點(diǎn)得到，進(jìn)而在太陽(yáng)能電池板上安裝相應(yīng)的控制程序使太陽(yáng)能電池板能準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)。

太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式主要采用單軸和雙軸兩種跟蹤裝置。其中單軸主要是以焦線為中心，沿著焦線的垂直方向進(jìn)行雙向跟蹤；而雙軸則可以進(jìn)行全方位、高度角的全跟蹤。雙軸主要由垂直轉(zhuǎn)軸和水平轉(zhuǎn)軸兩個(gè)轉(zhuǎn)軸組成，相對(duì)較為復(fù)雜。雙軸的示意圖如圖2所示。

2.2 光電跟蹤

太陽(yáng)光的強(qiáng)弱可以通過(guò)光敏管對(duì)其進(jìn)行感應(yīng)，通過(guò)將兩個(gè)光敏管安裝在光伏電池的兩個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)上，假如光伏電池板接收太陽(yáng)光的照射后，其產(chǎn)生的電能在預(yù)計(jì)的電能數(shù)值偏差規(guī)定的閾值內(nèi)，則表明當(dāng)前的光照效果良好，無(wú)需進(jìn)行電池板的轉(zhuǎn)動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生了變化 ，光伏電池產(chǎn)生的電能逐漸減弱，使得產(chǎn)生的電能與預(yù)計(jì)產(chǎn)生電能之間的誤差變大。此時(shí)，光敏管檢測(cè)到的電信號(hào)被放大電路放大，并啟動(dòng)自動(dòng)定位控制裝置，帶動(dòng)電池板進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使電池板重新與太陽(yáng)光的方向保持垂直狀態(tài)。

光電跟蹤的設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，最大的不足是易受到天氣因素的影響，當(dāng)晴天時(shí)，可以很好地完成跟蹤效果。但當(dāng)天氣惡化時(shí)，特別是白天，太陽(yáng)長(zhǎng)時(shí)間地被烏云遮擋，此時(shí)太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電能變?nèi)?，而光敏管由于沒有光照，故無(wú)法正常啟動(dòng)定位控制裝置。

兩種跟蹤方式都有其各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，為了更好地完成自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的功能，將兩種跟蹤方式進(jìn)行有效的結(jié)合。當(dāng)光敏管可以有效地接收到電信號(hào)時(shí)，說(shuō)明當(dāng)天的天氣情況很好，采用光電跟蹤方式；相反，則說(shuō)明天氣情況惡劣，則采用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式。這樣，無(wú)論在什么樣的天氣環(huán)境下，太陽(yáng)能電池板都能夠最大效率地工作。

3 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

太陽(yáng)能發(fā)電的目的是為了節(jié)省能源，提高經(jīng)濟(jì)效益，因此，在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要考慮成本和維護(hù)的問(wèn)題。自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則包括如下幾點(diǎn)：

（1）系統(tǒng)的可擴(kuò)展性

根據(jù)太陽(yáng)能發(fā)電的需要，隨著工藝水平和科技的進(jìn)步，太陽(yáng)能光伏電池可能進(jìn)行更換或數(shù)量增加，所以搭建的平臺(tái)應(yīng)能夠滿足更新和維護(hù)的需求。

（2）模塊化設(shè)計(jì)

為了縮短研發(fā)的周期，模塊化設(shè)計(jì)可以使得設(shè)計(jì)各個(gè)部件更加科學(xué)化、標(biāo)準(zhǔn)化，有效提高研發(fā)的工作效率。

（3）標(biāo)準(zhǔn)接口

在軟件設(shè)計(jì)上，要預(yù)留軟件功能接口，為以后的二次開發(fā)打下基礎(chǔ)。

（4）經(jīng)濟(jì)耐用

太陽(yáng)能電池板需要長(zhǎng)年在戶外工作，可能會(huì)遇到惡劣的風(fēng)雪天氣，在安裝的過(guò)程中，要考慮到耐用性，避免二次安裝。

3.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)要以主計(jì)算機(jī)控制單元為核心，外圍設(shè)備由多種傳感器（風(fēng)力、風(fēng)向傳感器、光強(qiáng)傳感器、太陽(yáng)光入射角傳感器、方位磁傳感器、GPS接收機(jī)等）收集的數(shù)據(jù)信息經(jīng)過(guò)單片機(jī)模塊分析轉(zhuǎn)化后傳給主計(jì)算機(jī)控制單元，經(jīng)控制單元運(yùn)算后，用其結(jié)果控制電機(jī)的單片機(jī)，使驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板到合適的位置。具體如圖3所示。

3.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主控程序的流程是首先對(duì)太陽(yáng)能電池板的起始位置進(jìn)行確認(rèn)，將程序進(jìn)行初始化操作，首先根據(jù)光敏管確認(rèn)天氣情況，假如天氣狀態(tài)良好，則采用光電跟蹤，否則采用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，無(wú)論采用何種跟蹤方式，根據(jù)每個(gè)時(shí)刻太陽(yáng)的位置通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，使電池板與太陽(yáng)光方向相對(duì)應(yīng)。當(dāng)太陽(yáng)落山后，自動(dòng)關(guān)閉跟蹤系統(tǒng)，將電池板恢復(fù)至起始位置。核心代碼如下：

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，當(dāng)前太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。如何最大效率地發(fā)揮出太陽(yáng)能電池板的功能，是提高資源利用率的有效途徑之一。在自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中，優(yōu)化跟蹤控制方式和多任務(wù)控制系統(tǒng)，可更加有效的提高太陽(yáng)能光伏電池板的發(fā)電效果。

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