光伏發(fā)電雙軸逐日跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

劉伯明 ，張慶海 ，趙正旭

(1.石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，山東 青島 266525)

0 引言

為了獲取足夠的生存能源，人類(lèi)對(duì)自然界和未知環(huán)境的能源探索從未間斷過(guò)。光伏發(fā)電作為一種新能源的利用方式，為解決日益嚴(yán)峻的能源緊缺問(wèn)題提供了方向[1-2]。目前光伏發(fā)電跟蹤裝置主要分為單軸跟蹤與雙軸跟蹤裝置兩種[3-5]。相較于單軸跟蹤裝置，雙軸裝置的跟蹤精度較高，但由于傳統(tǒng)的雙軸跟蹤裝置的跟蹤策略單一，造成跟蹤精度不高、光電轉(zhuǎn)化率低和裝置應(yīng)急性能不足等問(wèn)題。常見(jiàn)的光電跟蹤策略受天氣影響大；視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤策略跟蹤精度不高，存在陰天情況下耗能大、斷電重啟時(shí)鐘時(shí)間重置等不足[6-8]。因此，如何優(yōu)化跟蹤控制策略，提高跟蹤精度，使太陽(yáng)能板始終保持最佳吸收太陽(yáng)能的傾角，增加光電轉(zhuǎn)化效率成為當(dāng)前的主要研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]通過(guò)對(duì)光傳感器改進(jìn)，提出了一種高精度的太陽(yáng)跟蹤控制裝置。文獻(xiàn)[10]通過(guò)優(yōu)化太陽(yáng)輻射吸收的最佳傾角數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出跟蹤效果較高的單軸逐日系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]在Lab/CVI 環(huán)境下開(kāi)發(fā)了一種基于TCP 傳輸協(xié)議的逐日系統(tǒng)，利用上下位機(jī)和TCP/IP協(xié)議交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的逐日系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]提出將EtherCAT 總線應(yīng)用到逐日系統(tǒng)控制中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)逐日裝置的群控。文獻(xiàn)[13-14]研究了光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤算法，對(duì)光伏發(fā)電效率進(jìn)一步提高。

本文采用STC12C5A60S2 單片機(jī)為控制核心，步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)核心，設(shè)計(jì)了光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤相結(jié)合的自動(dòng)跟蹤控制策略。針對(duì)實(shí)時(shí)太陽(yáng)高度角和方位角計(jì)算，采用DS1302 時(shí)鐘芯片結(jié)合SPA 算法輔助的方法；針對(duì)可能出現(xiàn)的裝置故障問(wèn)題，設(shè)計(jì)了人工按鍵模式以及基于WiFi 模塊的無(wú)線遠(yuǎn)程控制模式。同時(shí)采用自動(dòng)模式和人工模式相結(jié)合的混合跟蹤控制策略，使得本系統(tǒng)不受天氣影響，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能板精確逐日功能，為逐日系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下可能出現(xiàn)的故障問(wèn)題提供了解決辦法。此外，該系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的普及和有效利用具有研究?jī)r(jià)值，為人類(lèi)對(duì)非可及環(huán)境的能源探索具有重要意義[15]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

光伏發(fā)電雙軸逐日跟蹤系統(tǒng)的混合跟蹤控制策略采用模塊化設(shè)計(jì)的方法選取軟件和硬件，包括電源電路模塊、STC12C5A60S2 單片機(jī)控制模塊、DS1302 時(shí)鐘模塊、SD 卡讀寫(xiě)模塊、陰晴檢測(cè)電路模塊、控制信號(hào)輸出電路、按鍵與液晶顯示模塊、WiFi 模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等。逐日跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 逐日跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

新一代STC12C5A60S2 單片機(jī)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和運(yùn)行，具備高速、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。DS1302模塊配合SPA 算法，對(duì)當(dāng)?shù)氐奶?yáng)高度角進(jìn)行計(jì)算；太陽(yáng)板吸收光照，通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并傳輸給單片機(jī)控制中心，然后再傳輸給步進(jìn)電機(jī)模塊，進(jìn)而調(diào)節(jié)太陽(yáng)能板，使其能夠垂直吸收太陽(yáng)光；陰晴檢測(cè)電路判斷陰天或者晴天，進(jìn)而完成光電跟蹤模式和視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式的運(yùn)行；按鍵模塊不僅具有自動(dòng)跟蹤模式和人工調(diào)節(jié)模式切換的功能，能夠?qū)o急故障情況加以人工修正，同時(shí)還能修正系統(tǒng)當(dāng)前所處的時(shí)間，進(jìn)而保障視日運(yùn)行軌跡跟蹤模式的跟蹤精度；通過(guò)WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制功能。

1.1 電源電路模塊

太陽(yáng)能板吸收光照轉(zhuǎn)化為電流，電流通過(guò)微弱能量收集器儲(chǔ)存到蓄電池中。同時(shí)，蓄電池作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的能量來(lái)源，并通過(guò)升壓模塊，輸出穩(wěn)定的電壓電流，步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)蓄電池存儲(chǔ)的能量不足以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可通過(guò)預(yù)留的充電口為蓄電池充電以及為整個(gè)系統(tǒng)供能。電源電路模塊如圖2 所示，J5 為太陽(yáng)能板接口，J6 為蓄電池接口，U5 為升壓模塊，U7 為充電模塊。LED 燈通過(guò)亮度顯示太陽(yáng)能板吸收光照的強(qiáng)度，光照越強(qiáng)，LED 燈越亮。

圖2 電源電路模塊

1.2 WiFi 模塊

WiFi 模塊選擇的是安信可公司生產(chǎn)的ESP8266-12FWIFI 模塊。該模塊支持STA/AP/STA+A 三種工作模式。本系統(tǒng)采用的是AP 模式，模塊自身攜帶熱點(diǎn)，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，使手機(jī)直接與模塊之間保持通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程檢測(cè)和控制功能。該模塊中，VCC 用來(lái)接3.3 V～5 V 的電源，UTXD 是該模塊的串口發(fā)送引腳，可接單片機(jī)的串口接收引腳URXD，URXD 是模塊串口接收引腳，可接單片機(jī)的UTXD 引腳。WiFi 模塊如圖3 所示。

圖3 WiFi 模塊

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式

地球在自轉(zhuǎn)的同時(shí)也進(jìn)行公轉(zhuǎn)，造成太陽(yáng)光照的直射點(diǎn)不斷發(fā)生變化，使得固定式的太陽(yáng)能發(fā)電板不能保證每時(shí)每刻垂直吸收太陽(yáng)輻射。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤策略的主要設(shè)計(jì)理念是通過(guò)計(jì)算實(shí)時(shí)太陽(yáng)高度角、方位角，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能板垂直吸收太陽(yáng)光線。

如圖4 所示，在地平坐標(biāo)系中，太陽(yáng)的高度角是指太陽(yáng)光線與當(dāng)?shù)厮矫嬷g的夾角α，其變化范圍為0°～90°，當(dāng)太陽(yáng)處于正午時(shí)分，高度角α 達(dá)到最大值；太陽(yáng)的方位角是指太陽(yáng)光線在當(dāng)?shù)厮矫娴耐队芭c正南方向的夾角β，其變化范圍為0°～360°。其中，與高度角α互為余角的γ 是天頂角。

圖4 地平坐標(biāo)系

太陽(yáng)高度角的計(jì)算如式(1)所示：

將式(1)推導(dǎo)，得到高度角的計(jì)算公式式(2)：

式中：角φ 是當(dāng)?shù)氐木暥戎?，角?為太陽(yáng)所處赤緯角，角δ 為時(shí)角。

太陽(yáng)方位角的計(jì)算如式(3)所示：

由式(2)和式(3)可知，太陽(yáng)的高度角和方位角的計(jì)算與太陽(yáng)的赤緯角和時(shí)角有關(guān)。

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤策略為了達(dá)到較高的跟蹤精度，需要知道實(shí)時(shí)的太陽(yáng)高度角、方位角以及當(dāng)前地區(qū)的日出日落時(shí)間。

由太陽(yáng)的高度角計(jì)算公式式(1)，可得出當(dāng)前地區(qū)的日落日出時(shí)角公式：

式中，ωh表示日出日落時(shí)角，其值為正，表示日出時(shí)角；其值為負(fù)，表示日落時(shí)角。由式(4)可知，已知當(dāng)?shù)氐某嗑暯侵岛途暥戎涤嘘P(guān)，可求出日落日出時(shí)角。

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤策略采用的太陽(yáng)方位軌跡SPA算法，該算法適用性強(qiáng)、精度高，可計(jì)算多年的太陽(yáng)高度角和方位角[16]。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度以及和海拔等參數(shù)計(jì)算全天從日出到日落的時(shí)間范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)太陽(yáng)高度角和方位角，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD 卡中。單片機(jī)通過(guò)查表的方法調(diào)用存儲(chǔ)的高度角和方位角數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)完成實(shí)時(shí)方位控制，使太陽(yáng)能板達(dá)到理論上的位置。

2.2 光電跟蹤模式

光電跟蹤策略主要與陰晴檢測(cè)電路模塊有關(guān)。如圖5所示，4 個(gè)光敏電阻A、B、C、D 分別接收太陽(yáng)能板4 個(gè)方位的光照強(qiáng)度，通過(guò)光敏電阻值的變化情況判斷太陽(yáng)能板是否保持垂直吸收太陽(yáng)光的最佳狀態(tài)。單片機(jī)采集通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換的光敏電阻的電壓值，通過(guò)數(shù)據(jù)處理，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得太陽(yáng)能板保持在理論上位置。當(dāng)太陽(yáng)光垂直照射太陽(yáng)能板時(shí)，4 個(gè)方位的光敏電阻兩端的電壓值幾乎相同，太陽(yáng)能板不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)上下、左右的光敏電阻兩端的電壓差值超過(guò)設(shè)定的閾值，太陽(yáng)能板向光照強(qiáng)度高的一側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，使得上下、左右的電壓值小于閾值，從而達(dá)到光電跟蹤的目的。

圖5 陰晴檢測(cè)電路模塊的光敏電阻排列結(jié)構(gòu)

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制模式

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制策略有兩方面的目的，一方面是為了面對(duì)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的突發(fā)故障狀況，另一方面是為了方便實(shí)時(shí)收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如太陽(yáng)的實(shí)時(shí)方位角、高度角、系統(tǒng)的實(shí)時(shí)電壓電流和陰晴檢測(cè)電路模塊中的光敏電阻收集到的實(shí)時(shí)光照強(qiáng)度。此策略主要依賴(lài)于WiFi 模塊，該模塊內(nèi)置TCP/IP 傳輸控制協(xié)議，利用該模塊的AP工作模式，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和系統(tǒng)相互通信，達(dá)到了系統(tǒng)向手機(jī)每隔5 s 發(fā)送實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)、收集遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的目的。當(dāng)系統(tǒng)存在突發(fā)故障時(shí)，手機(jī)端可通過(guò)命令，將系統(tǒng)的自動(dòng)模式切換到人工模式，并針對(duì)實(shí)際狀況，對(duì)系統(tǒng)做出及時(shí)調(diào)整。

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)第一次開(kāi)機(jī)，液晶顯示器上顯示當(dāng)前系統(tǒng)的訪問(wèn)地址和端口。手機(jī)連接該地址，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制提供保證。然后顯示當(dāng)前太陽(yáng)能板吸收的環(huán)境光照的平均值，系統(tǒng)計(jì)算出實(shí)時(shí)太陽(yáng)高度角和方位角。若當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間不準(zhǔn)確，需要校對(duì)DS1302 時(shí)鐘。圖6 為整個(gè)系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)啟動(dòng)，進(jìn)行初始化，默認(rèn)的模式為自動(dòng)跟蹤模式。陰晴檢測(cè)電路模塊收集當(dāng)前光照強(qiáng)度，并與設(shè)定的光強(qiáng)記錄值比較。若光照強(qiáng)度大于記錄值，系統(tǒng)判斷為晴天狀態(tài)，進(jìn)入光電跟蹤模式，單片機(jī)將上下、左右光敏電阻的光強(qiáng)信號(hào)差值通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)差值，根據(jù)電壓差值，使太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)向光照最強(qiáng)的方向。若光照強(qiáng)度小于記錄值，系統(tǒng)進(jìn)入視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式，單片機(jī)將通過(guò)查表查詢(xún)存儲(chǔ)在SD 卡中的太陽(yáng)高度角和方位角信息，然后驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使太陽(yáng)能板轉(zhuǎn)動(dòng)到理論位置。單片機(jī)可通過(guò)模式切換按鈕進(jìn)行自動(dòng)模式和人工模式的切換，也可通過(guò)WiFi 模塊從手機(jī)終端用命令進(jìn)行模式的切換。人工模式下，可對(duì)系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間進(jìn)行校對(duì)，從而使太陽(yáng)能板在相應(yīng)時(shí)間轉(zhuǎn)動(dòng)到對(duì)應(yīng)的位置；也可通過(guò)上下左右按鍵控制太陽(yáng)能板的上下左右方向。系統(tǒng)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，通過(guò)WiFi 模塊向手機(jī)控制終端發(fā)送實(shí)時(shí)參數(shù)。太陽(yáng)能收集的電能儲(chǔ)存到蓄電池中，蓄電池通過(guò)升壓模塊對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流，達(dá)到了太陽(yáng)能充分利用太陽(yáng)能的目的。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)階段，針對(duì)雙軸逐日跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，收集參數(shù)。通過(guò)SPA 太陽(yáng)軌跡算法，將青島某地的經(jīng)緯度、海拔和溫度等參數(shù)輸入系統(tǒng)，求得太陽(yáng)的高度角和方位角，并將太陽(yáng)每個(gè)時(shí)間段的高度角和方位角存儲(chǔ)到SD 卡中。在運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)會(huì)將計(jì)算得到的太陽(yáng)高度角和方位角顯示到系統(tǒng)屏幕并傳輸?shù)绞謾C(jī)上；尤其在視日運(yùn)行軌跡跟蹤模式下，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)時(shí)間查詢(xún)對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)高度角和方位角，通過(guò)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，控制太陽(yáng)能板運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)收集3 月份某連續(xù)5 天的光照強(qiáng)度、太陽(yáng)高度角和方位角的平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每天的時(shí)間段選取為7：00～17：00。數(shù)據(jù)收集結(jié)果如表1 所示。

如表1 所示，T 表示時(shí)刻，L 表示4 個(gè)光敏電阻收集的光照強(qiáng)度的平均值，A 和B 分別表示系統(tǒng)計(jì)算的太陽(yáng)高度角和方位角，A1和B1分別表示根據(jù)如梭萬(wàn)年歷得到的標(biāo)準(zhǔn)太陽(yáng)高度角和方位角。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由表1 和圖7 看出，連續(xù)5 天得到的光照強(qiáng)度平均值處于一種先上升后下降的狀態(tài)，中午11：00～15：00 時(shí)間段內(nèi)光照強(qiáng)度的變化較為平緩，符合日常一天內(nèi)太陽(yáng)輻射值的變化，結(jié)果表明該逐日系統(tǒng)具有良好的太陽(yáng)能收集功能。同時(shí)，系統(tǒng)利用SPA 算法得到的太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算值與查詢(xún)?nèi)账笕f(wàn)年歷得到的標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差范圍為±0.5°，誤差小，精度高，表明本裝置的太陽(yáng)軌跡跟蹤性能好。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖7 光照強(qiáng)度的平均值變化

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電雙軸逐日跟蹤系統(tǒng)采用自動(dòng)模式與人工模式相結(jié)合的混合控制的策略。系統(tǒng)利用SPA 算法計(jì)算太陽(yáng)的實(shí)時(shí)高度角和方位角，保證系統(tǒng)的跟蹤精度，使太陽(yáng)能板始終保持與太陽(yáng)光線垂直的最佳傾角狀態(tài)，提高了光電轉(zhuǎn)化率，充分吸收了太陽(yáng)能。自動(dòng)模式下，采取光電跟蹤模式與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式相結(jié)合的策略，使系統(tǒng)受陰晴天氣的影響較小。在人工模式下，獨(dú)創(chuàng)性地使用WiFi 模塊對(duì)逐日光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)受天氣影響小、跟蹤準(zhǔn)確性高、支持遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程控制，對(duì)我國(guó)的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)有一定的參考價(jià)值。本系統(tǒng)能夠吸收轉(zhuǎn)化光能為電能，維持自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量自供給。同時(shí)，本系統(tǒng)還可以遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)自身狀態(tài)與周?chē)h(huán)境狀態(tài)，且面對(duì)突發(fā)故障問(wèn)題有一定的解決能力，對(duì)人類(lèi)利用光伏發(fā)電技術(shù)解決能源問(wèn)題、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)一些危險(xiǎn)環(huán)境、探索開(kāi)發(fā)利用非可及環(huán)境等研究工作具有一定的參考價(jià)值。