復(fù)合式太陽(yáng)能跟蹤控制器的設(shè)計(jì)*

張曉軍，楊家強(qiáng)，汪俊杰

(浙江大學(xué) 電氣工程學(xué)院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前太陽(yáng)能的收集利用存在光電轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題：(1)硅光材料自身光電轉(zhuǎn)化效率低；(2)由于傳統(tǒng)發(fā)電裝置太陽(yáng)能電池板固定，太陽(yáng)光線無(wú)法垂直照射電池板[1-3]。

近年來(lái)，許多機(jī)構(gòu)和學(xué)者將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)到太陽(yáng)能跟蹤裝置上，主要有斜單軸和雙軸兩種跟蹤裝置。斜單軸跟蹤方式雖然比雙軸跟蹤效率低4%～6%，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、經(jīng)濟(jì)性高，在光伏發(fā)電領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。

斜單軸跟蹤方式主要有視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電傳感器跟蹤。采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤時(shí)，雖然系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、跟蹤穩(wěn)定，但跟蹤精度低，而且對(duì)光伏支架安裝精度要求較高；采用傳感器跟蹤雖然跟蹤精度高，但存在響應(yīng)慢、穩(wěn)定性差、不能全天候運(yùn)行等問(wèn)題[4-8]。

本文將設(shè)計(jì)一款基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的復(fù)合太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

太陽(yáng)能跟蹤控制器主要是使光伏板和太陽(yáng)光線入射夾角最小，所以整個(gè)系統(tǒng)主要包括核心控制器TMS320F28035、GPS模塊、直流減速電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路、傾角傳感器、光照傳感器等部分。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)全天候的高精度跟蹤。系統(tǒng)工作時(shí)，DSP通過(guò)GPS模塊獲得當(dāng)?shù)氐牡乩斫?jīng)緯度和時(shí)間，并計(jì)算出跟蹤角度，通過(guò)角度傳感器閉環(huán)反饋，驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到相應(yīng)的角度。轉(zhuǎn)動(dòng)到計(jì)算角度后，傳感器會(huì)檢測(cè)此時(shí)兩側(cè)光強(qiáng)是否在閾值內(nèi)，超過(guò)閾值系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行調(diào)整，直到誤差在閾值內(nèi)，這樣實(shí)現(xiàn)了誤差的最小化[9]。

1.1 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用Intersil公司的高頻全橋驅(qū)動(dòng)芯片HIP4081。該芯片內(nèi)部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋，芯片內(nèi)部自帶死區(qū)時(shí)間設(shè)置，用來(lái)保護(hù)H橋的4個(gè)場(chǎng)效應(yīng)管，效率高達(dá)97%。

1.2 傾角傳感器

傾角傳感器用來(lái)檢測(cè)光伏板的傾斜角度。傳感器選用SCA60芯片，當(dāng)傳感器繞跟蹤軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，其輸出電壓Vout和傾角β的對(duì)應(yīng)關(guān)系為:

(1)

式中：Voffset—傾角傳感器放平時(shí)的電壓輸出值，一般2.5 V；Sensitivity—傳感器靈敏度，一般為2 V/g，相鄰角度輸出電壓差約為0.022 V。

設(shè)計(jì)時(shí)，將SCA60固定在南北轉(zhuǎn)軸上，處理器根據(jù)SCA60輸出電壓判斷太陽(yáng)能電池板的角度。

1.3 光照傳感器模塊

本文設(shè)計(jì)的跟蹤系統(tǒng)中光照強(qiáng)度傳感器使用的是LXD66MQ硅光電池。硅光電池特性圖如圖2所示。

圖2 硅光電池特性圖

本研究采用硅光電池作為光照傳感器正是基于硅光電池的短路電流和光照度(光能量)成線性的關(guān)系，通過(guò)對(duì)短路電流放大然后裝換為電壓信號(hào)送到處理器，定量計(jì)算出光照強(qiáng)度。

1.4 無(wú)線通信模塊

本研究通過(guò)無(wú)線模塊實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)與上位機(jī)的雙向數(shù)據(jù)通信，將跟蹤系統(tǒng)的數(shù)據(jù)發(fā)送到云平臺(tái)，管理員在云平臺(tái)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，遠(yuǎn)程控制跟蹤系統(tǒng)。

操作界面如圖3所示。

圖3 上位機(jī)監(jiān)控界面

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先需要對(duì)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡建立數(shù)學(xué)模型，獲得當(dāng)?shù)氐奶?yáng)方位角和高度角。

2.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤主要通過(guò)在地平坐標(biāo)系下建立太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡模型，通過(guò)對(duì)軌跡的計(jì)算獲得太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置。太陽(yáng)位置示意圖如圖4所示。

圖4 太陽(yáng)高度角和方位角示意圖

在地平坐標(biāo)系下，太陽(yáng)赤緯角δ可表示為[9]：

(2)

式中:n—一年中的第幾天。

地方時(shí)角可表示為：

ω=(t-12)×15°

(3)

式中:t—真太陽(yáng)時(shí)，由地理位置決定。

t計(jì)算方式如下:

t=北京時(shí)-(120°-地方經(jīng)度)×4 min

(4)

由太陽(yáng)時(shí)角和赤緯角，可以繼續(xù)計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角[10-11]。

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(5)

(6)

式中:φ—地理緯度；δ—太陽(yáng)赤緯角；ω—太陽(yáng)時(shí)角；α—太陽(yáng)高度角；γ—太陽(yáng)方位角。

系統(tǒng)的目標(biāo)是使太陽(yáng)能電池板和太陽(yáng)入射光線夾角最小。針對(duì)固定式光伏陣列，太陽(yáng)光和光伏陣列采光面的夾角θ為：

cosθ=sinαcosβ+cosαsinβcos(γ-A)

(7)

式中:α—太陽(yáng)高度角；γ—太陽(yáng)方位角；β—光伏陣列傾角；A—光伏陣列方位角，指光伏陣列傾斜面法線在地面的投影與正北方向的夾角。

對(duì)于斜單軸，有：

(8)

式中:βr—光伏陣列相對(duì)于地面的傾角，對(duì)平單軸βr=0。

光伏陣列所需的跟蹤角ρ為：

(9)

基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤算法，本研究通過(guò)Matlab仿真獲得了春分日、夏至日、秋分日和冬至日的光伏陣列跟蹤角度，如圖5所示。

圖5 光伏陣列跟蹤角度

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，光伏陣列在春分日轉(zhuǎn)到中間的位置的時(shí)間最早，而秋分日最晚，與太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律所吻合；冬至日早晚跟蹤角度變化最慢，而中午光伏陣列轉(zhuǎn)動(dòng)最快。而夏至日早晚跟蹤角度變化相對(duì)較快，而中午階段轉(zhuǎn)動(dòng)最慢。同時(shí)，夏至日階段，太陽(yáng)跟蹤角度和太陽(yáng)時(shí)角變化基本一致。

2.2 復(fù)合式跟蹤系統(tǒng)算法

為節(jié)省電量和系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)每5 min跟蹤一次。系統(tǒng)根據(jù)GPS獲得當(dāng)前時(shí)間和經(jīng)緯度，然后計(jì)算出太陽(yáng)方位角和高度角，進(jìn)而獲得光伏陣列的跟蹤角，進(jìn)行初步跟蹤，之后通過(guò)光照傳感器進(jìn)行精確跟蹤。

為防止出現(xiàn)短時(shí)云遮現(xiàn)象，增加光照跟蹤偏差角，防止出現(xiàn)誤動(dòng)作，系統(tǒng)控制流程圖如圖6所示。

圖6 控制流程圖

跟蹤系統(tǒng)會(huì)在夜間轉(zhuǎn)平，早上會(huì)轉(zhuǎn)到東側(cè)限位位置等待太陽(yáng)升起進(jìn)行跟蹤，下午跟蹤到西側(cè)限位后會(huì)等到夜晚再次轉(zhuǎn)平等待第二天的開始。

3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本文搭建了一套2.25 kW的斜單軸太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置，如圖7所示。

圖7 2.25 kW斜單軸跟蹤裝置

該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：(1)直流減速電機(jī)；(2)二象限傳感器；(3)9塊250 W太陽(yáng)能電池板；(4)蝸輪蝸桿減速器；(5)控制箱，包括控制系統(tǒng)的控制器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。

試驗(yàn)裝置地理位置(30.14 N.120.01 E)，該地平均日照時(shí)間4.45 h～4.8 h，試驗(yàn)時(shí)間是2017年7月29日，天氣晴朗。

通過(guò)對(duì)跟蹤裝置連續(xù)運(yùn)行數(shù)據(jù)記錄，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 太陽(yáng)方位角跟蹤數(shù)據(jù)

通過(guò)對(duì)表1中11:00～17:00的方位角跟蹤數(shù)據(jù)和誤差分析，證明該控制裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)計(jì)算和跟蹤太陽(yáng)軌跡，并獲得跟蹤系統(tǒng)最大跟蹤誤差為0.5°，具有較高的跟蹤精度。

本研究采集實(shí)驗(yàn)平臺(tái)每0.5 h并網(wǎng)逆變器的功率數(shù)據(jù)，曲線如圖8所示。

圖8 光伏陣列輸出功率曲線

本研究通過(guò)對(duì)曲線積分計(jì)算得到采用跟蹤系統(tǒng)的光伏陣列比固定式光伏陣列發(fā)電量高26.2%，所以該跟蹤方法對(duì)于提高光伏發(fā)電效率具有現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文首先通過(guò)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡建立數(shù)學(xué)模型，進(jìn)而通過(guò)坐標(biāo)變換求出光伏陣列相對(duì)于太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)模型的求解獲得光伏陣列的跟蹤角度，驅(qū)動(dòng)電機(jī)使光伏陣列轉(zhuǎn)動(dòng)到計(jì)算角度；采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光照傳感器結(jié)合的復(fù)合式跟蹤方式，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度、穩(wěn)定性和可靠性。

實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知：采用本文所提跟蹤方法的斜單軸裝置比固定式裝置發(fā)電量高26.2%，跟蹤誤差在0.5°內(nèi)，而且該方法不僅適用于斜單軸，還可以推廣到平單軸和帶傾角的平單軸跟蹤系統(tǒng)中。

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