太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)的研究

于源霖 李鳳霞

摘 要：一直以來，人類對(duì)于能源都是依賴的。煤、石油這些不可再生能源更是我們生活不可或缺的重要資源。但不可再生能源的開采與焚燒對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，以損壞環(huán)境而促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)終歸不是長(zhǎng)久之計(jì)，因此，科研人員開始向新型能源探究，并在發(fā)現(xiàn)太陽能資源的基礎(chǔ)上，對(duì)太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

關(guān)鍵詞：太陽能電池板；雙軸追蹤控制系統(tǒng)；太陽方位計(jì)算器

中圖分類號(hào)：TM914.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0056-02

Abstract： Human beings have been dependent on energy for a long time. Coal， oil and other non-renewable energy resources are indispensable to our lives. However， the exploitation and burning of non-renewable energy have caused serious damage to the environment， and it is ultimately not a long-term solution to promote economic growth by damaging the environment. Therefore， researchers have begun to explore new sources of energy， and on the basis of the discovery of solar energy resources， the two-axis tracking control system of solar panels is studied in detail.

Keywords： solar panels； two-axis tracking control system； solar azimuth calculator

太陽能作為新型能源，具有取之不盡用之不竭的巨大優(yōu)勢(shì)。[1]在太陽能基礎(chǔ)上，我們對(duì)太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行深入研究。明確其系統(tǒng)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，并從整體結(jié)構(gòu)入手，對(duì)其硬件的設(shè)計(jì)及軟件的開發(fā)進(jìn)行研究，了解其調(diào)試方式，掌握太陽運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律，為太陽能轉(zhuǎn)化為電能提供更好的助力[1]。

1 國內(nèi)外追蹤系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀

1.1 太陽能跟蹤裝置的分類

在對(duì)太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行研究之前，我們應(yīng)該明確太陽能追蹤裝置的分類。對(duì)于該裝置的分類，我們可以分為兩種情況。

第一，根據(jù)裝置反饋系統(tǒng)是否存在區(qū)分為：開環(huán)控制、閉環(huán)控制、混合控制。開環(huán)控制是指沒有追蹤反饋裝置的系統(tǒng)，而閉環(huán)控制是指利用光敏儀器如二極管、電阻等對(duì)太陽光進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如出現(xiàn)日照偏差，會(huì)產(chǎn)生偏差信號(hào)傳遞，進(jìn)行提示。混合控制，則是指將開環(huán)控制與閉環(huán)控制有效整合起來，形成更加高效的追蹤控制裝置。第二，根據(jù)追蹤太陽的方向角度不同，又可以分為單軌追蹤與雙軌追蹤。

1.2 太陽光追蹤系統(tǒng)國外研究現(xiàn)狀

在太陽光追蹤方面，世界上最有發(fā)言權(quán)的莫過于美國。早在上世紀(jì)末期，美國研究出了第一臺(tái)單軸追蹤系統(tǒng)，更大程度的追蹤陽光，提升能源的轉(zhuǎn)化率。一年后，再次由美國科學(xué)家創(chuàng)造出雙軸追蹤系統(tǒng)，這一系統(tǒng)在單軸系統(tǒng)上進(jìn)行改善，利用平面鏡聚光原理改善能源轉(zhuǎn)化問題。

隨后，方位太陽光追蹤裝置研發(fā)成功，根據(jù)太陽東升西落的原理，該裝置也可以從東到西的追蹤太陽進(jìn)行能力轉(zhuǎn)化，這與兩年后研發(fā)出的記憶合金追蹤裝置異曲同工。最后，2006年一家名為安迅能的能源公司利用太陽追蹤系統(tǒng)，創(chuàng)建了太陽能發(fā)電站，并借由以上技術(shù)創(chuàng)新改良，提高了百分之三十五的能量轉(zhuǎn)化。

1.3 太陽光追蹤系統(tǒng)國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國地域遼闊人口眾多，長(zhǎng)期被能源問題所困擾，也面臨著重大的環(huán)境危機(jī)，因此，近年來越來越多的科研人員致力于新能源的開發(fā)與研究。而我國也較為側(cè)重太陽能光伏產(chǎn)業(yè)。早在二十世紀(jì)90年代初，便已經(jīng)開始了對(duì)太陽能的探索，1995年，我國自主研發(fā)的太陽能追蹤系統(tǒng)便可以精準(zhǔn)的追蹤太陽，且準(zhǔn)確度很高[2]。2007年，我國首套能夠利用光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行太陽跟蹤的系統(tǒng)問世，預(yù)示著我國在太陽能產(chǎn)業(yè)中又邁進(jìn)了一步。

2 太陽光追蹤系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

2.1 太陽光追蹤方式的選擇

一般來說，太陽光的追蹤方式可分為兩類。一類是根據(jù)視日運(yùn)動(dòng)軌跡中太陽角度的計(jì)算。地球存在自轉(zhuǎn)，又在圍繞著太陽進(jìn)行公轉(zhuǎn)，所以地球上不同地點(diǎn)的每一時(shí)刻，太陽的高度與照射角度都不會(huì)相同。但是，因?yàn)榈厍虻淖赞D(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)都遵循一定的規(guī)律，所以研究人員在將地球設(shè)置為一個(gè)理想球體，并給予其相應(yīng)參數(shù)。根據(jù)地球不同的變化規(guī)律，計(jì)算出同一地點(diǎn)不同時(shí)間的太陽高度角。

2.2 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案

經(jīng)過對(duì)以上多種追蹤方式及分類的分析，我們針對(duì)太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。其工作流程可以分解為以下幾點(diǎn)：

2.2.1 光敏設(shè)備監(jiān)測(cè)

在整個(gè)控制追蹤系統(tǒng)中，最先發(fā)揮作用的是光敏原件，光敏設(shè)備在經(jīng)過設(shè)置后，可以自動(dòng)判斷白天與夜晚，并將信息傳遞到控制系統(tǒng)。

2.2.2 控制中心

在光伏系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到信息后，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)獲取的信息進(jìn)行工作。若檢測(cè)到的是白天，變會(huì)開啟設(shè)備運(yùn)行裝置，進(jìn)入工作模式電池板進(jìn)行太陽光追蹤。若檢測(cè)到的是夜晚，則發(fā)出睡眠指令，整個(gè)設(shè)備停止工作。

2.2.3 信號(hào)轉(zhuǎn)換

無論是采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式還是光電追蹤設(shè)施，殊途同歸的將光源信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，最終促使電池板進(jìn)行正常運(yùn)轉(zhuǎn)已達(dá)到追蹤太陽的目的。

3 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)是利用光電原理制成光電傳感器，以二極管為載體，采用四象限原理安置4個(gè)光敏元件，即小電阻。在安裝完成后，利用該裝置進(jìn)行太陽光的檢測(cè)，根據(jù)光敏電阻不同位置檢測(cè)的光強(qiáng)不同，將檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在經(jīng)過過濾后，選擇電信號(hào)最強(qiáng)的方位調(diào)控電池板的轉(zhuǎn)向，保證太陽能電池板最大限度實(shí)現(xiàn)太陽光的直射。

3.2 控制器的選擇

在控制器的選擇問題上，技術(shù)工程師一般會(huì)在滿足基礎(chǔ)操作的基礎(chǔ)上選擇性價(jià)比高、經(jīng)濟(jì)且使用便捷的芯片。這一方面，單機(jī)片是比較常用的，其具有結(jié)構(gòu)精簡(jiǎn)操作、操作易上手、滿足系統(tǒng)所需全部要求，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力。另一方面，控制器作為硬件系統(tǒng)的核心部分，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與整體協(xié)調(diào)能力具有較高要求，而單機(jī)片恰恰具有性價(jià)比高、溫差承受能力強(qiáng)、能夠在各種惡劣環(huán)境下正常運(yùn)行的特點(diǎn)，完美切合了主控制器的需要。

3.3 溫度傳感器

在太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)的溫度傳感器的選擇上，我們有諸多選擇，但使用最為廣泛的是DS18B20，這取決于他與所需電路具有相同的特點(diǎn)，傳感精度高且占據(jù)體積小，并且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，非常適用于太陽能電池板的應(yīng)用。除此之外，太陽能電池板追蹤控制系統(tǒng)一般假設(shè)在環(huán)境較為惡劣的地方，溫差跨度可能存在較大差異，而該款溫度傳感器能夠很好的適用于各種環(huán)境而不影響其檢測(cè)結(jié)果，故此被普遍應(yīng)用。

4 追蹤系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)

上文中我們?cè)岬教柟獾淖粉櫡绞接袃煞N，視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤與光電追蹤，因此在系統(tǒng)的主程序設(shè)計(jì)中，我們也采納了這兩個(gè)方面。主程序運(yùn)行初始，我們需對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行清零再開始檢測(cè)，在系統(tǒng)中輸入光照強(qiáng)度預(yù)設(shè)值，光照一旦達(dá)到預(yù)設(shè)，系統(tǒng)便開始自動(dòng)運(yùn)行。但如一直未達(dá)到預(yù)設(shè)，將處于休眠狀態(tài)。第二次檢測(cè)將修改預(yù)設(shè)值為光電追蹤的預(yù)設(shè)，再次嘗試。如達(dá)到預(yù)設(shè)，則進(jìn)行光電追蹤，若未到預(yù)設(shè)值，將繼續(xù)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方式進(jìn)行工作。

4.2 太陽方位計(jì)算器軟件

這一軟件開發(fā)屬于常規(guī)類型，創(chuàng)建工程文件，建立基礎(chǔ)頁面并附加所需程序，在工程文件中插入必備的模塊與特殊要求的內(nèi)容，并進(jìn)行檢測(cè)調(diào)試，最終保存成品。軟件開發(fā)成功后，使用者只需要根據(jù)自己所處的地區(qū)輸入相應(yīng)的經(jīng)度與緯度，以及時(shí)間，部分軟件需要輸入太陽的高度值，便可以精準(zhǔn)計(jì)算出此時(shí)此地太陽的高度角與方位角，方便電池板進(jìn)行太陽光的追蹤。

4.3 光電追蹤模式

光電追蹤方式是依賴光敏元件進(jìn)行追蹤的一種追蹤方式，根據(jù)太陽光的直射強(qiáng)度判斷是否工作，也根據(jù)光敏元件感知到的光能成度對(duì)陽光進(jìn)行精準(zhǔn)的追蹤。其工作原理是利用光敏二極管進(jìn)行光照監(jiān)控，如果檢測(cè)到的光強(qiáng)大于預(yù)先設(shè)定的值，便會(huì)對(duì)陽光進(jìn)行追蹤，二極管不斷檢測(cè)光強(qiáng)，一旦光強(qiáng)下降低于預(yù)設(shè)，便會(huì)停止追蹤，在這樣的軟件流程，確保太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

5 系統(tǒng)的調(diào)試與分析

5.1 系統(tǒng)調(diào)試

經(jīng)過以上研究，技術(shù)工程師們已經(jīng)對(duì)追蹤控制系統(tǒng)的軟件硬件進(jìn)行安裝調(diào)試，接下來需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行更新及升級(jí)，已檢測(cè)在硬件軟件相結(jié)合的情況下能否正常工作。其具體測(cè)試方法如下：

5.1.1 參數(shù)設(shè)置

針對(duì)不同地區(qū)，其經(jīng)緯度也不盡相同。科研人員需根據(jù)本地區(qū)的經(jīng)緯度進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)偏差最小。

5.1.2 初始化系統(tǒng)

系統(tǒng)工作之初，需要技術(shù)工程師手動(dòng)校對(duì)角度，直至電池板能夠感知到關(guān)照的角度后，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入工作狀態(tài)，經(jīng)過一段時(shí)間的追蹤后，電池板會(huì)自主判斷追蹤角度，再次確認(rèn)工作模式。

5.1.3 系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果

在經(jīng)過多次數(shù)據(jù)測(cè)試后，如系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行，需要記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。如測(cè)試失敗，系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，則需要從參數(shù)設(shè)置開始進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并重新調(diào)節(jié)軟硬件設(shè)計(jì)。

5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在經(jīng)過系統(tǒng)調(diào)配升級(jí)后，追蹤系統(tǒng)將進(jìn)入正式工作狀態(tài)。通過軟件正常工作，我們能夠精準(zhǔn)測(cè)算出太陽高度角與方位角。再將之與之前參數(shù)相比對(duì)，我們不難發(fā)現(xiàn)太陽每天的運(yùn)動(dòng)軌跡都不盡相同，所以勻速的電池板追蹤存在偏差，而光伏電池板能夠更好的獲取電能源。

6 結(jié)束語

綜上所述，對(duì)于中國這樣一個(gè)能量高消耗的國家來說，經(jīng)濟(jì)、環(huán)境與能源的關(guān)系日趨緊張。太陽能、風(fēng)能等資源取代不可再生能源是必然的選擇，新能源開發(fā)也是世界各國的戰(zhàn)略方針。在眾多新能源中，太陽能以其取之不盡用之不竭的巨大優(yōu)勢(shì)，被廣泛的使用。其中，太陽能電池板雙軸追蹤控制系統(tǒng)，便在太陽能發(fā)電中發(fā)揮重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳舟.太陽能雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[D].湖北工業(yè)大學(xué)，2015.

[2]秦興盛，陳曉榮，聶道林.基于STM32的太陽能雙軸跟蹤控制系統(tǒng)[J].信息技術(shù)，2013（4）：113-115.