遍歷式最大電流點(diǎn)硅光電池追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薄中亞

(常州天為自動(dòng)化科技有限公司江蘇常州 213164)

0 引言

光伏能源可持續(xù)無污染總量大，是世界各國普遍關(guān)注和重點(diǎn)發(fā)展的新產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電的基礎(chǔ)是硅光電池，輸出功率和光線強(qiáng)度成正比，實(shí)踐表明采用光線跟蹤的硅光電池矩陣可以提高41.34%能量的接收率[1]。

目前的跟蹤系統(tǒng)主要是理論參數(shù)跟蹤和光電傳感跟蹤兩種。理論參數(shù)跟蹤是通過對(duì)預(yù)先設(shè)定好的太陽氣象參數(shù)進(jìn)行跟蹤。此類跟蹤系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于無外置傳感器、成本低、廉穩(wěn)定性好，但是精度差、有系統(tǒng)累積誤差、跟蹤方式不靈活、受地形和天氣影響較大。

光電傳感跟蹤是利用外置的光電傳感器來計(jì)算太陽的高度和方位角來調(diào)整硅光電池方位，此種跟蹤方式優(yōu)點(diǎn)在于精確，但是有外置傳感器，可靠性不高，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,成本比較高。此類追蹤系統(tǒng)如果受到外部的遮擋(如樹蔭等)，傳感器所接收到的太陽光強(qiáng)度就會(huì)發(fā)生改變，使系統(tǒng)無法正確地追蹤，從而使系統(tǒng)的接收率下降。如果是在沒有太陽光的陰天，系統(tǒng)也不能夠做出正確的追蹤[2]。本文提出了一種通過實(shí)時(shí)地遍歷掃描來確定最大電流點(diǎn)方位的方法。該方法無需外置光敏傳感器，而且可以實(shí)時(shí)追蹤最大電流點(diǎn)，雙軸自動(dòng)追蹤，克服了傳統(tǒng)追蹤方式的缺陷。

1 遍歷式追蹤系統(tǒng)的組成

如圖1所示，追蹤系統(tǒng)由MCU控制單元、電流變送器和雙軸跟蹤單元組成，無單獨(dú)外置的傳感器，硅光電池板在本系統(tǒng)中充當(dāng)了光強(qiáng)傳感器、在發(fā)電的同時(shí)又檢測了光線的強(qiáng)度。電流變送器用來檢測硅光電池板的輸出電流并將電流的大小信號(hào)傳送給MCU控制單元。MCU控制單元用來接收電流變送器的信號(hào)并控制雙軸跟蹤單元來確定電池板的最大電流方位。

圖1 遍歷式追蹤系統(tǒng)組成框圖

2 遍歷式蹤系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

受地球自轉(zhuǎn)的影響，光線在地球上的照射角平均大約以每小時(shí)15°變化，因此追蹤系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)測電流值并及時(shí)更新掃描方位，確定新的最大電流點(diǎn)。該系統(tǒng)設(shè)定每當(dāng)電流值比重新定位后的值下降10%時(shí)開啟遍歷掃描，來跟蹤光線的最大電流點(diǎn)方位。追蹤系統(tǒng)通電后系統(tǒng)初始化，硅光電池板在方位角上進(jìn)行0°～180°X軸的掃描，MCU單元通過電流變送器感知電流最大的方位并做標(biāo)記a存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中[3]。再以a點(diǎn)為基點(diǎn)在高度角方向上進(jìn)行0°～180°的Y軸掃描，MCU單元通過電流變送器感知高度角的電流最大處并在系統(tǒng)中做標(biāo)記為b存儲(chǔ)在系統(tǒng)內(nèi)存中。硅光電池版的最大電流輸出方位就是以(a，b)為坐標(biāo)的點(diǎn)，追蹤系統(tǒng)存儲(chǔ)此坐標(biāo)到系統(tǒng)中并將硅光電池板移動(dòng)到此坐標(biāo)上，單次遍歷掃描完成(如圖2所示)。

圖2 遍歷式追蹤系統(tǒng)原理圖

遍歷式最大電流點(diǎn)追蹤系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的光電傳感器，僅僅通過MCU的AD功能檢測硅光電池輸出線的壓降的方式計(jì)算輸出電流值。在追蹤算法方面以硅光電池的最優(yōu)電流輸出為判斷依據(jù)而不是使用傳統(tǒng)的四象限光敏電阻位置判斷法，如此可以有效地避免外部遮擋而導(dǎo)致的系統(tǒng)對(duì)太陽方位的誤判，從而更加有效地提高發(fā)電效率。在追蹤系統(tǒng)上使用了間歇式的追蹤系統(tǒng)，硅光電池輸出電流不降低到一定閾值不啟動(dòng)電機(jī)，從而有效地減少系統(tǒng)損耗，增加了系統(tǒng)的使用壽命[4]。

3 驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此裝置由水平軸和豎直軸組成，各有一套高精度伺服電機(jī)和變速箱單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，如圖3所示，水平軸可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽方位角的追蹤，豎直軸可以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角的追蹤[5]。根據(jù)MCU控制單元監(jiān)測的電流水平來對(duì)追蹤驅(qū)動(dòng)單元發(fā)出控制命令，追蹤驅(qū)動(dòng)單元根據(jù)命令精確地驅(qū)動(dòng)電機(jī)到預(yù)定位置，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，系統(tǒng)的姿態(tài)調(diào)整算法使用了PID控制，通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)輸出的電流和電壓相位來增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，有效避免系統(tǒng)的震蕩。

1-硅光電池板框；2-驅(qū)動(dòng)齒輪；3-變速齒輪；4-高精度伺服電機(jī)；5-水平軸；6-驅(qū)動(dòng)總成支架；7-豎直軸；8-整體支架圖3 驅(qū)動(dòng)單元的組成

4 遍歷式追系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 MCU控制單元硬件設(shè)計(jì)

該遍歷掃描追蹤系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，由MCU單元和追蹤驅(qū)動(dòng)單元組成，MCU單元電流變送器接口和X-Y軸驅(qū)動(dòng)接口如圖4所示。

步進(jìn)電機(jī)都連接至MCU控制單元，MCU先通過控制X-Y驅(qū)動(dòng)板進(jìn)行X軸和Y軸的遍歷掃描配合檢測電流變送器信號(hào)的大小來確定最大電流點(diǎn)的方位坐標(biāo)，并通過步進(jìn)電機(jī)將硅光電池板調(diào)整至該坐標(biāo)。

4.2 追蹤單元驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

圖5 追蹤單元硬件設(shè)計(jì)

X-Y追蹤驅(qū)動(dòng)板直接接入MCU控制單元，接受控制命令并驅(qū)動(dòng)電機(jī)調(diào)整硅光電池方位，其中驅(qū)動(dòng)板的輸入輸出信號(hào)采用了光耦隔離設(shè)計(jì)，使MCU控制信號(hào)和驅(qū)動(dòng)板的輸出相互隔離，使系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。追蹤單元硬件設(shè)計(jì)如圖5所示。

5 遍歷式蹤系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括主程序、電流、方位采集子程序、參數(shù)查詢程序和增加電機(jī)閉環(huán)控制穩(wěn)定性的PID控制子程序等，主程序流程如圖6所示。

圖6 遍歷式蹤系統(tǒng)軟件主程序設(shè)計(jì)

6 系統(tǒng)參數(shù)性能對(duì)比試驗(yàn)

本追蹤系統(tǒng)完成后，通過市場采購到了一款邁貝特(廈門)新能源有限公司生產(chǎn)的MRac光電跟蹤的高精度雙軸追蹤系統(tǒng)來做性能對(duì)比試驗(yàn)。

兩套系統(tǒng)使用相同的天合光能TSM-270PD05光伏組件，輸出功率檢測系統(tǒng)使用愛德克斯的IT7802電子負(fù)載(含兩個(gè)IT8732B模塊)，在同樣的地點(diǎn)，光照時(shí)長從上午的9點(diǎn)到下午5點(diǎn)鐘，一共八個(gè)小時(shí)。兩者各項(xiàng)參數(shù)的對(duì)比如圖7所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比

該系統(tǒng)在同樣的光照條件下和市場現(xiàn)有的高精度雙軸跟蹤系統(tǒng)對(duì)比效果基本相當(dāng)。而且該系統(tǒng)在定位精度相當(dāng)?shù)那闆r下僅使用了一個(gè)電流變送器，沒有外置傳感器，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單化，維護(hù)簡單，系統(tǒng)可靠性也會(huì)顯著地增加。

7 結(jié)論

硅光電池搭配精確的光線追蹤系統(tǒng)可以大大提高發(fā)電效率，本文利用硅光電池本身為傳感器，通過硅光電池的遍歷追蹤確定硅光電池實(shí)時(shí)最大電流點(diǎn)方位的光線追蹤系統(tǒng)，以MCU為控制核心，實(shí)時(shí)調(diào)整電池板的高度角和方位角，電路簡單可靠，精確度高，成本低廉，維護(hù)簡單，可疊加擴(kuò)展性強(qiáng)，有著不錯(cuò)的應(yīng)用前景。

該系統(tǒng)屬于物理方位層面的最大電流點(diǎn)追蹤系統(tǒng)，可以把電池板的方位進(jìn)行最優(yōu)化調(diào)整，將光照的效能發(fā)揮到比較理想的狀態(tài)。將來可以在硅光電池板特性層面上運(yùn)用現(xiàn)在日漸成熟的最大功率點(diǎn)(MPPT)追蹤控制器來追蹤硅光電池I-V曲線和負(fù)載線的交點(diǎn)實(shí)現(xiàn)最大功率點(diǎn)追蹤，使最大電流點(diǎn)追蹤和最大功率點(diǎn)追蹤有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物理方位層面和硅光電池特性層面的雙優(yōu)化。