高精度雙軸太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張雙華 ，文小玲*，2，邵鵬程 ，陳立明

1.武漢工程大學(xué)電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205

隨著化石能源的逐漸枯竭，環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)重，很多國(guó)家都致力于新能源的開發(fā)，而太陽(yáng)能以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)有的新型替代能源［1-3］。光伏發(fā)電是目前利用太陽(yáng)能較為廣泛的技術(shù)手段，但易受自然環(huán)境的影響，穩(wěn)定性相對(duì)較差，且能量密度低。因此在大力發(fā)展光伏發(fā)電的過(guò)程中，對(duì)光電轉(zhuǎn)換的效率就有了更高的要求，而光伏跟蹤技術(shù)就是解決這一問(wèn)題的有效途徑［4］。固定式光伏發(fā)電是目前大型光伏電站的主要發(fā)電方式，單軸和雙軸跟蹤的技術(shù)雖有少量應(yīng)用但未形成規(guī)模，其主要原因是其跟蹤精度不足，設(shè)備成本和系統(tǒng)能耗相對(duì)較高［5-8］。本文在已有的理論基礎(chǔ)上研究設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)控制的太陽(yáng)能雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，主要進(jìn)行了光伏發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤控制策略優(yōu)化設(shè)計(jì)和太陽(yáng)光跟蹤光電傳感器的研究。系統(tǒng)采用間歇性跟蹤的控制算法，每30 min校正一次太陽(yáng)能電池板的方位。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及組成原理

系統(tǒng)采用雙軸跟蹤和時(shí)控+光控模式，同時(shí)從方位角和高度角對(duì)太陽(yáng)光線入射角進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)跟蹤，使太陽(yáng)能電池板始終與太陽(yáng)光線保持垂直。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1（a）所示，主要由傳感器模塊、主控板、跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板四個(gè)部分組成。傳感器部分包括光源檢測(cè)傳感器，六軸陀螺儀，光照強(qiáng)度傳感器，風(fēng)速風(fēng)向傳感器，限位開關(guān)。光源檢測(cè)傳感器可以感知太陽(yáng)方位的變化，并將信號(hào)比較處理后傳給主控板；六軸陀螺儀的作用是檢測(cè)太陽(yáng)能電池板的位置，將檢測(cè)到的角度與太陽(yáng)的實(shí)時(shí)方位進(jìn)行比較，再由主控板將偏移量轉(zhuǎn)換為脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣就形成了閉環(huán)調(diào)節(jié)模式，使跟蹤更加精確；光照強(qiáng)度傳感器用于檢測(cè)當(dāng)前天氣情況的變化，根據(jù)不同的光照強(qiáng)度切換不同的跟蹤模式；風(fēng)速風(fēng)向傳感器用于大風(fēng)保護(hù)，以保護(hù)太陽(yáng)能電池板在風(fēng)速過(guò)大時(shí)不受損；接近開關(guān)的作用是對(duì)裝置進(jìn)行限位保護(hù)，在裝置的左右兩側(cè)各有一個(gè)接近開關(guān)，防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度過(guò)大而損壞裝置。參數(shù)采樣電路主要是采集太陽(yáng)能電池板的電壓和電流；跟蹤機(jī)械裝置主要包括高度角和方位角的兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板兩個(gè)維度的調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)控制流程如圖1（b）所示，系統(tǒng)采用混合跟蹤的控制方法即為時(shí)控+光控的控制模式，時(shí)控為粗調(diào)，光控為微調(diào)。當(dāng)?shù)竭_(dá)日出時(shí)間時(shí)系統(tǒng)啟動(dòng)進(jìn)入時(shí)控模式，給出一個(gè)Δh和Δγ角度，由控制器發(fā)出相應(yīng)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，可以進(jìn)行時(shí)控的跟蹤設(shè)計(jì)，太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)每完成一次跟蹤周期就自動(dòng)復(fù)位，當(dāng)進(jìn)行時(shí)控跟蹤時(shí)每次轉(zhuǎn)動(dòng)角度均與相對(duì)于地球的太陽(yáng)活動(dòng)規(guī)律相同。在讀取某地的日期、時(shí)間、經(jīng)緯度后，通過(guò)已有的公式算法得出當(dāng)?shù)貙?shí)時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角，再與太陽(yáng)能電池板的高度角方位角進(jìn)行比較后得出兩個(gè)維度的角度差，最后由控制器給出相應(yīng)脈沖驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)調(diào)整太陽(yáng)能電池板的位置即可達(dá)到太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的目的。光控模式是通過(guò)使用光電檢測(cè)傳感器模塊檢測(cè)比較太陽(yáng)光入射角和跟蹤系統(tǒng)平面法向量之間的角度差。當(dāng)角度差值超過(guò)額定值時(shí)，由控制器發(fā)送PWM脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)部分調(diào)整太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)動(dòng)作減小角度差值到使得入射光再次與系統(tǒng)平面法向量平行，最終達(dá)到對(duì)入射光線實(shí)時(shí)追蹤的目的。

圖1 系統(tǒng)：（a）結(jié)構(gòu)框圖；（b）控制流程圖Fig.1 System：（a）Structure diagram；（b）Control flowchart

2 太陽(yáng)光跟蹤光電檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 光電檢測(cè)傳感器的檢測(cè)原理

選用型號(hào)為OSQ50-SPB的四象限光電探測(cè)器作為核心檢測(cè)元件。光電檢測(cè)傳感器的工作原理如圖2（a）所示，當(dāng)光線通過(guò)聚光透鏡入射時(shí)，會(huì)在光敏電阻上形成一個(gè)電壓差，此時(shí)可直接給出太陽(yáng)偏離電池板中心法線的角度，東西方向的為：±tan-1(b/2H)，南北方向的為：±tan-1(a/2H)。光線透過(guò)聚光鏡在第四象限光電探測(cè)器上形成一個(gè)半徑為r的圓形光斑，根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)可知R=2r，此時(shí)第四象限光電探測(cè)器的探測(cè)精度最高。探測(cè)器在接受光照時(shí)，會(huì)在四個(gè)象限分別形成IA、IB、IC、ID這4個(gè)電流。當(dāng)四個(gè)象限接受光照面積相同時(shí)，各個(gè)輸出信號(hào)相同；當(dāng)光斑在四象限探測(cè)器上的位置發(fā)生變化，即接受光照面積不同時(shí)，輸出信號(hào)也發(fā)生相應(yīng)變化。假設(shè)光斑中心偏離四象限探測(cè)器的中心的坐標(biāo)為（ΔX，ΔY）（K為常數(shù)，且與光斑半徑r相關(guān)），則有：

X，Y軸方向分別對(duì)應(yīng)太陽(yáng)的方位角方向和高度角方向，則ΔX、ΔY分別表示太陽(yáng)在X、Y軸方向的實(shí)際偏差值。當(dāng)ΔX=0，ΔY=0時(shí)，表示太陽(yáng)光線垂直照射在太陽(yáng)能電池板上。當(dāng)ΔX＞0，表示太陽(yáng)方位角方向西偏，反之向東偏；當(dāng)ΔY＞0時(shí)，表示太陽(yáng)高度角方向北偏，反之南偏。

圖2 光電檢測(cè)傳感器：（a）原理圖，（b）基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Photoelectric detection sensor：（a）Principle diagram ；（b）Basic structure

2.2 光電檢測(cè)傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，其外部為一個(gè)密閉不透光的立方體，在立方體最上面有一嵌入聚光透鏡的圓形小孔，聚光透鏡的焦點(diǎn)位于底座上方，立方體的長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、H；在底座上規(guī)則的分布著四個(gè)光敏電阻R1、R2、R3、R4中間為四象限光電探測(cè)器。當(dāng)太陽(yáng)光線逐漸由通光孔射入立方體底座，并且四個(gè)方向的光敏電阻接受到光照時(shí)，系統(tǒng)直接輸出一個(gè)固定的校正角度使光斑照射在四象限探測(cè)器上；當(dāng)太陽(yáng)光線透過(guò)立方體的通光孔射入底座，并且在立方體的四象限光電探測(cè)器上形成一個(gè)圓形的光斑時(shí)，由于同一時(shí)刻太陽(yáng)光照射在四象限探測(cè)器上的光照強(qiáng)度是相同的，此時(shí)四象限探測(cè)器各部分的輸出信號(hào)只與光敏面接受光照的面積有關(guān)。

3 控制策略及實(shí)現(xiàn)

太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)按輸出端是否存在反饋可以劃分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制和混合控制四類。開環(huán)控制方法主要有時(shí)控跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤等［9～12］，半閉環(huán)控制方法則主要是通過(guò)光電編碼器讀取電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度與光電傳感器檢測(cè)到的太陽(yáng)位置進(jìn)行比較得出兩個(gè)維度的角度差實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線的跟蹤。按系統(tǒng)軸數(shù)分常見的太陽(yáng)能跟蹤方法可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤，常用的單軸跟蹤方式有電池板平面傾斜擺放，太陽(yáng)能電池板只在水平方向上偏轉(zhuǎn)和太陽(yáng)能電池板只在豎直方向上偏轉(zhuǎn)等；雙軸跟蹤，即在太陽(yáng)高度角和水平角兩個(gè)維度上都能夠跟蹤太陽(yáng)。按跟蹤模式分太陽(yáng)能跟蹤方法主要有兩種：光電跟蹤模式和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式［13～15］，本文將針對(duì)這兩種跟蹤控制策略做具體分析。

3.1 時(shí)控模式

太陽(yáng)每天東升西落，對(duì)于地球不同位置的觀察者來(lái)說(shuō)，在一年中不同的時(shí)間點(diǎn)會(huì)對(duì)應(yīng)不同的位置。太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)是呈現(xiàn)一定的規(guī)律性的，定位太陽(yáng)的位置需要兩個(gè)方向的角度來(lái)確定，也就是方位角和高度角。以地平坐標(biāo)系為參考系［5］，如圖3所示，天頂角為θ，高度角為h，方位角為γ。

圖3 地平坐標(biāo)系Fig.3 Horizon coordinate system

①高度角的計(jì)算

高度角、天頂角、地理緯度、赤緯角及時(shí)角之間的關(guān)系如式（3）所示：式（3）中，φ為當(dāng)?shù)鼐暥?；δ為赤緯角；ω為時(shí)角。

②方位角的計(jì)算

地平坐標(biāo)系中，方位角用高度角和赤緯角及時(shí)角進(jìn)行計(jì)算：

赤道坐標(biāo)系中的赤緯角和時(shí)角可以通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為高度角和方位角，進(jìn)而計(jì)算太陽(yáng)所處的位置。只要知道地球上某一位置的經(jīng)緯度、當(dāng)?shù)貢r(shí)間和積日時(shí)間，就可以通過(guò)地平坐標(biāo)系的計(jì)算公式計(jì)算出該位置任意時(shí)刻太陽(yáng)的方位角和高度角。

③日出時(shí)間和日落時(shí)間計(jì)算

設(shè)tc為日出時(shí)間，tI為日落時(shí)間，單位為h。則tc和tI可由日出日落時(shí)角得出，正午時(shí)，太陽(yáng)的高度角為0，由式（3）和式（4）可得日出日落時(shí)角ω1和ω2表達(dá)式為：

則有：日出時(shí)間：tc=12-ω1/15；

日落時(shí)間：tI=12-ω2/15。

3.2 光控模式

由于大氣環(huán)境的多樣性，所以不能保證每天都有充足的光照，光控模式在一定程度上彌補(bǔ)了時(shí)控模式的不足，對(duì)光照環(huán)境分為四種情況：晴天、多云、陰雨天氣以及大風(fēng)雨雪天氣，在不同的天氣狀況下采取不同的跟蹤方式進(jìn)行太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤，從而降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)使用壽命，其基本思路如下：

在晴天光照充足的條件下，太陽(yáng)光輻射較強(qiáng)，此時(shí)跟蹤精度最高，光伏發(fā)電效率提高越明顯，所以系統(tǒng)先采取時(shí)控模式進(jìn)行粗跟蹤，然后采取光控模式進(jìn)行精跟蹤；在多云條件下，太陽(yáng)光線容易被云層干擾，不適合光控跟蹤，此時(shí)系統(tǒng)采取時(shí)控跟蹤的方式自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)；陰雨天氣條件下，太陽(yáng)光輻射度較弱，光電轉(zhuǎn)換效率低，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)休眠模式，這樣既能保證跟蹤控制精度又能有效的減少系統(tǒng)功耗；在大風(fēng)雨雪條件下，系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)保護(hù)模式，防止因惡劣的自然環(huán)境對(duì)設(shè)備造成不可逆的損壞。

4 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的控制流程如圖1（b）所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化包括開啟STM32時(shí)鐘，設(shè)置中斷優(yōu)先級(jí)，設(shè)置串口和GPIO端口等操作。相關(guān)初始化完成后，進(jìn)入判斷程序，模式有兩種：一種用于自動(dòng)跟蹤，一種則是手動(dòng)控制。手動(dòng)控制模式主要用于系統(tǒng)調(diào)試，以及當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，手動(dòng)調(diào)回適合的位置。一般情況下默認(rèn)為自動(dòng)模式，進(jìn)入自動(dòng)模式后，先讀取當(dāng)前的時(shí)間，如果時(shí)間為非跟蹤時(shí)段，即日落后到日出前這段時(shí)間，則系統(tǒng)休眠，等待到達(dá)啟動(dòng)時(shí)間。當(dāng)?shù)竭_(dá)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)段，則進(jìn)行下一步的判斷，以光照強(qiáng)度為判斷依據(jù)，若為晴天，則進(jìn)入光控模式，光控模式中讀取光電檢測(cè)傳感器的數(shù)據(jù)，以傳感器數(shù)據(jù)為唯一判斷標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)不斷地讀取判斷太陽(yáng)的位置，進(jìn)行循環(huán)調(diào)節(jié)，實(shí)時(shí)性高，反應(yīng)速度快。

若光照強(qiáng)度不足，則進(jìn)入時(shí)控模式，首先調(diào)用計(jì)算函數(shù)，計(jì)算出當(dāng)前時(shí)間太陽(yáng)的角度，再讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)，如果存在角度偏差，則驅(qū)動(dòng)電機(jī)向?qū)?yīng)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的步數(shù)由換算程序計(jì)算，當(dāng)?shù)竭_(dá)指定位置后，則電機(jī)停轉(zhuǎn)，若在這段時(shí)間內(nèi)光照條件發(fā)生了變化，如光照強(qiáng)度上升，則會(huì)跳出時(shí)控模式，執(zhí)行光控子程序。完成一次跟蹤后，依次進(jìn)入下一次循環(huán)。

5 結(jié)果與分析

對(duì)高精度雙軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電效率進(jìn)行了試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)武漢（東經(jīng)114°23′北緯30°41′，平均海拔23.3 m）；試驗(yàn)材料浦江鑫昊光電科技有限公司的單晶硅太陽(yáng)能電池板，型號(hào)為XHGD-100W，峰值功率100 W，開路電壓21.5 V，短路電流5.85 A。根據(jù)試驗(yàn)地區(qū)的經(jīng)緯度，經(jīng)過(guò)一定的推論分析可知固定式光伏發(fā)電的最佳傾角為30°，固定模式與混合跟蹤模式下太陽(yáng)能電池板發(fā)電效率的比較，如圖4所示，混合跟蹤模式為間歇式跟蹤，每30 min啟動(dòng)一次，從圖4中可以看出兩種光伏發(fā)電模式的發(fā)電效率均在11：00至14：00達(dá)到最大，太陽(yáng)能電池板的發(fā)電效率在混合跟蹤模式下明顯高于固定模式。

圖4 兩種模式的發(fā)電效率對(duì)比Fig.4 Comparison of power generation efficiency by two modes

6 結(jié) 語(yǔ)

闡述了一種高精度太陽(yáng)能雙軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，系統(tǒng)融合了時(shí)鐘控制和光電跟蹤的控制方法，采用具有兩級(jí)跟蹤模式的光電檢測(cè)傳感器模塊和一種高效的基于混合跟蹤的閉環(huán)控制策略。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)在跟蹤控制精度上有較大的提升，同時(shí)通過(guò)間歇性跟蹤的方式減少了系統(tǒng)功耗。本文研制的太陽(yáng)能光電檢測(cè)模塊和優(yōu)化的控制策略能有效的改善光電轉(zhuǎn)化效率，為提高光伏發(fā)電中太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供了新思路。

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