一種自動追蹤光照角度的太陽能光伏支架

唐保明

[摘? ? 要]如今太陽能發(fā)電是新能源利用的重要方法。實現光電轉換的主要元件是太陽能電池單元陣列。發(fā)電不僅與面板功率和運行狀態(tài)有關，還與直接影響系統(tǒng)性能的能量轉換效率有關。所以設置方式對太陽能發(fā)電體系的效果有著很重要的影響。因為傳統(tǒng)的太陽能面板有固定設置，面板必須固定在某個地方，而不能因為太陽能位置的改變而移動。這種結果嚴重影響了轉換效能。文章重點闡述了具備簡化構造，高可靠性和智能特性的太陽能自動跟蹤控制系統(tǒng)，為進一步提高太陽能發(fā)電的發(fā)電效果。

[關鍵詞]光伏發(fā)電;自動追蹤;光伏支架;光照;現狀分析

[中圖分類號]TM615 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）12–00–02

Solar Photovoltaic Support Capable of Automatically Tracking Light Angle

Tang Bao-ming

[Abstract]Nowadays， solar power generation is an important method of new energy utilization. The main element that realizes photoelectric conversion is the solar cell array. Power generation is not only related to panel power and operating status， but also related to energy conversion efficiency that directly affects system performance. Therefore， the setting method has a very important influence on the effect of the solar power generation system. Because traditional solar panels have fixed settings， the panels must be fixed in a certain place and cannot be moved due to changes in the position of the solar energy. This result seriously affects the conversion efficiency. The article focuses on the solar automatic tracking control system with simplified structure， high reliability and intelligent characteristics， in order to further improve the power generation effect of solar power generation.

[Keywords]photovoltaic power generation; automatic tracking; photovoltaic support; illumination; current situation analysis

太陽能發(fā)電是將太陽能直接轉換成電能的發(fā)電技術?，F在市場上很多的太陽能發(fā)電設備都是固定式的，但在實際使用中，隨著同一天曬在陽光上的太陽能發(fā)電板的不同季節(jié)以及不同傾角，集熱能力也會有較大的改變。陽光投射角過大時，集加熱效率明顯減少，單位體積集熱板的經濟性降低。為了達到實時照射太陽光，實時跟蹤太陽光的目的，文章提出了一種雙軸自跟蹤型太陽能支持裝置，可以分別驅動節(jié)距調整機構和水平旋轉機構，雙軸自跟蹤型太陽光發(fā)電支點的傳輸系統(tǒng)是內置的，減少了驅動馬達的數量，易于控制外部的旋轉支撐體，作為支撐力的基礎，具有高強度和強的耐風性。太陽光發(fā)電板，通過節(jié)距調整裝置大體上水平設置，在惡劣天氣下降低機器的損傷，為有效使用太陽能提供更好的選擇切斷。

1 太陽能光伏的現狀

1.1 光伏發(fā)電智能雙軸跟蹤支架系統(tǒng)技術基礎

作為無害的綠色燃料，太陽能具有非常廣闊的前景，將成為世界各個國家重點發(fā)展的綠色燃料。目前，全球太陽光系統(tǒng)支持體的95 %以上在一定的角度安裝，已經證明了人們對于太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的支持方式，并開展了試驗。但對于太陽能發(fā)電站及其支持工作模式的設計、優(yōu)化、技術分析以及安全性評價方面的研究還是空白的，結果全球太陽能發(fā)電減少了60多億MW。大量的利用太陽能發(fā)電資源的廢棄物來自人類的傳統(tǒng)思考。所以，通過利用被太陽輻射控制、由氣溫、風力、相對濕度等參數所補充的太陽能知識，支援由氣象條件數據庫建立的設置場所，并根據低太陽能的特點，對于解決太陽能發(fā)電系統(tǒng)的高電氣集成技術的低太陽能使用問題，并通過集成的革新技術，使理論與實踐緊密地聯系是十分迫切的?？刂破鲬昧私Y合時間管理與光學控制的管理方法，可以根據局部天氣數據創(chuàng)建動態(tài)模糊模型，并通過搜索方式進行大功率點監(jiān)控。同時，理論和成本控制策略也被用于實現太陽能發(fā)電智能雙軸跟蹤系統(tǒng)的節(jié)能要求。智能決策軟件通過綜合智能優(yōu)化，評價了與太陽能發(fā)電水平有關的系統(tǒng)安全性和經濟效益，并引入了可再生能源技術和經濟效益評價原理。作為連續(xù)技術和經濟效益分析的基礎單元而構成和結合，優(yōu)化了具有高可靠性和強操作性的跟蹤系統(tǒng)方案?；诖耍瑳Q定了太陽能發(fā)電智能支援系統(tǒng)的工作模式。

1.2 原理分析

在所有類型的自動光跟蹤系統(tǒng)中，核心部分與光強度的檢測相比，其性能是決定太陽能發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)性能和轉換效率的重要指標。因此，在設計中，必須注意選擇這個部分的方案，均勻跟蹤方法。眾所周知，地球的旋轉速度是固定的，早上太陽從東方升起，南下向西移動。太陽在方位角以15°/h和24°/h的均勻速度移動。方位角是方位角（需要檢查用于校正的局部磁偏角），并且傾斜角等于作為極軸的局部緯度。該跟蹤處理是使太陽軌道在垂直方向上以15°/h的旋轉速度旋轉跟蹤太陽，使太陽光面板的表面與太陽光垂直。該方法控制簡單，但安裝和調整困難，初始角度難以確定和調整，受季節(jié)和其他因素的影響很大。因此，控制精度差，一般在低要求時使用。為了最大化太陽光發(fā)電單元陣列以獲得來自太陽的輻射能量的同步方法：除了材料選擇和其他問題之外，還應考慮方位角和傾斜角的選擇。因為它與時間、季節(jié)、本地經度和緯度等諸多復雜因素有關。因此，如上所述的數據可以預先輸入微處理器，并且可以通過程序表搜索來計算方位角和傾斜角，從而實現時間和空間的同步并且最終實現精確控制。這種方法精度高且適應性好，但是程序復雜，難以實現。光強度比較光敏電阻是電阻傳感器。當受光強度變化時，其電阻值發(fā)生變化，光信號被轉換為電信號。如果日光在3個感光電阻上完全垂直地發(fā)光，則他們得到的電壓完全相等。通過微處理器所得到的電壓數據相等，如果控制馬達不工作的陽光完全垂直地發(fā)光，則電壓不相等，則必須用3個電壓，微處理器為了使日光再次在平面上垂直地發(fā)光而對應的模式該方法的特點是易于實現高測量精度、簡單電路和全天候跟蹤，采用了該計劃。

2 一種自動追蹤光照角度的太陽能光伏支架

2.1 光伏發(fā)電智能雙軸跟蹤支架系統(tǒng)設計

基于有限元分析理論，對機械支撐結構的重力和風荷載進行了計算和分析，提出了智能輔助系統(tǒng)的荷載和抗風要求。高度和日照，通過補充溫濕度參數氣象狀態(tài)數據庫，完成智能決策系統(tǒng)。時間控制策略與前端控制器、光學附加控制器、時間控制器與光學控制系統(tǒng)共同用于控制太陽智能雙軸跟蹤支援系統(tǒng)。若控制器在時間控制模式下，其控制算法通過光強度傳感器，按照地球的局部長度和寬度判斷太陽的高度和方位，并通過自然系數（如光線角度）系統(tǒng)狀態(tài)。采用以伺服發(fā)電機角度和控制時間為基礎控制功率的模糊動態(tài)模型，并引入變步長間歇搜索法，同時還將混沌理論和成本管理策略相結合，從而達到了對太陽能發(fā)電控制的節(jié)能要求。該控制系統(tǒng)具有保護、負載控制、自動故障監(jiān)測以及自動維護與自動修復?？刂葡到y(tǒng)的原理如圖1所示。

光電二極管的光特性是輸出電流和照明之間的關系，近似為線性。監(jiān)控系統(tǒng)的檢測單元采用二次結構，每個象限包括一個光電二極管，光電二極管后面的電路是完全差分電路。連接電路首先計算相鄰信號的和，然后計算差分信號。D系統(tǒng)從中收集電壓或電流信號實時5個光電二極管，A/D轉換后送到控制系統(tǒng)，處理后送到驅動單元，實現雙軸電機的控制信號處理電路，然后將光電二極管的輸出信號放大到零并進行完全處理，從而達到了A/D轉換器的低輸入轉換要求，為提高效率，接收由8個Pic系列微型芯片企業(yè)制造的微芯片微型計算機系統(tǒng)。微芯片計算機系統(tǒng)通過了簡化的RISC指令、雙總線和二級指令流水線的結構。驅動設備中有的直流發(fā)電機，它不但對發(fā)電機實施電流正負調節(jié)，同時還要保證有相應的輸出額定電流。并借助平均太陽輻射的計算方法，采用了基于模糊模型的自適應模煳控制系統(tǒng)方法作為調整系統(tǒng)狀態(tài)，并利用太陽光強、傾角和環(huán)境溫度確定伺服電機的旋轉角和在設定范圍內輸出功率。最終采用太陽能電池的最大輸出功率為電壓調整裝置的最大值。

2.2 太陽入射角自動跟蹤系統(tǒng)設計

適當設計的太陽跟蹤系統(tǒng)可以產生比固定系統(tǒng)多20 %～25 %的電力。嚴格來說，太陽能電池傾斜角度的確定是一個復雜的問題，理想的傾斜角度被劃分為初期、中、后半段不同的單軸跟蹤、東西水平軸跟蹤、南北水平軸跟蹤與東西極軸跟蹤。太陽系星體的自轉軸作為太陽系星體的自轉軸總是固定在太陽光的東西水平軸或南北的水平軸線上，而作為太陽能電池組件的自轉軸總是使太陽能電池組件的轉動角度變化的，極軸是方位角為0、傾角偏差和太陽局部緯度相等的軸，為了使固定在極軸上的太陽能電池組件水平轉動的雙軸跟蹤系統(tǒng)使太陽光和太陽電池件垂直，使用二條互相垂直的旋轉軸赤道軸跟蹤系統(tǒng)的，兩條互相垂直的自轉軸都是平行于太陽天體軸（地球軸）的，極軸和赤道軸都平行在太陽地球的赤道附近。赤道軸跟蹤系統(tǒng)先被調整，然后必須執(zhí)行太陽周圍地球的自轉軸與其互相垂直的太陽向下軸線，還不如說就是太陽天體軸線，所以對太陽赤道緯度的改變相當小，不需要每天調整軸跟蹤系統(tǒng)。

在系統(tǒng)控制流程中，在太陽光早上升起時，當太陽能的強度達到太陽能發(fā)電單元可以輸出的有效電量時，開啟了閉環(huán)跟蹤系統(tǒng)，發(fā)電機驅動的太陽電池和太陽能同時排列并開始，然后系統(tǒng)進入“待機中”的狀態(tài)，此時馬達停止動作太陽偏離特定角度時，再次開始“跟蹤”的處理。假如天空是陰天或者風力較大，為節(jié)省驅動能源，系統(tǒng)處在“暫停和待機”狀態(tài)，馬達會繼續(xù)工作。如果光伏電池的溫度過高，會自動降低其濃度，在當天的黑暗之后，馬達首先驅動太陽能電池從向西的“恢復初始狀態(tài)”到了東邊的起始位置，然后“斷電和關機”整個系統(tǒng)。只是對傳感器控制系統(tǒng)留下弱的電流控制電源。

2.3 中央控制系統(tǒng)設計

中央控制系統(tǒng)采用基于ARM9的微處理器芯片設計。

（1）最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制：檢測光伏模塊的主電路的直流側電壓及輸出電流，計算太陽電池的輸出功率，實現跟蹤最大功率點的電壓、過載、負載狀態(tài)下等的特殊保護功能。

（2）充放電控制：如果太陽光強度降低到一定程度，那么太陽光發(fā)電陣列的最大輸出功率就不能再驅動節(jié)能LED陣列了。主控制裝置啟動充放電控制電路，啟動電池待機電源。充放電控制不需要在不充分的照明條件下完成最大功率點的探索，需要生成對應于驅動對應的充電開關的PWM。另外，有必要完成電池組的充電狀態(tài)檢測以及電池組的保護對策。

（3）環(huán)境數據收集與濾波：將光照和溫度傳感器布置到太陽能發(fā)電陣列周圍。A/D和PS-232接口數據采集端口專門為ARM控制器設計。經過濾波后，可以實時獲取太陽能或光伏發(fā)電系統(tǒng)陣列周圍的環(huán)境變化數據。同時，根據太陽光天體建設區(qū)域的特殊天氣條件，建立太陽高度角的日變數據庫，將實時收集的數據與日歷的氣候數據進行比較，共同作為節(jié)能LED陣列系統(tǒng)的控制基礎。

（4）節(jié)能型LED陣列系統(tǒng)控制：如果太陽光照射強，太陽能電池的發(fā)電能力充分，則通過太陽電池的直接供電，直接驅動節(jié)能型LED陣列。在滿足以上條件的期間，剩余電力被輸入蓄電池包中。太陽光的照射不足，太陽電池的發(fā)電能力不足的情況下，將發(fā)電容量直接充電到電池組，通過電池電源的供給使電流系統(tǒng)動作。

3 結束語

太陽光自動跟蹤系統(tǒng)是太陽光發(fā)電系統(tǒng)的重要組成部分之一，影響整個系統(tǒng)的轉換效率，并且總是在作為太陽光發(fā)電陣列基礎的最大功率點附近工作。太陽光自動跟蹤系統(tǒng)為太陽能發(fā)電系統(tǒng)的能源提供了優(yōu)勢，在促進普及方面發(fā)揮了重要作用，具有廣泛的應用前景。對太陽能發(fā)電的智能雙軸跟蹤支持系統(tǒng)的研究開發(fā)大大提高了太陽能利用率。廣泛應用于太陽能發(fā)電系統(tǒng)，促進太陽能發(fā)電產業(yè)的發(fā)展，帶來更大的經濟和社會效益。

參考文獻

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[2] 崔巖，蔡炳煌.太陽能光伏系統(tǒng)MPPT控制算法的對比研究[J].太陽能學報，2017，27（6）：535-539.