太阳能跟随系统设计

开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇太阳能跟随系统设计范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！

摘 要： 太阳能作为一种清洁、可再生能源，具有强大的开发潜力。光伏产业是新能源产业发展的主力。目前普遍采用的太阳跟踪方式是单轴跟踪和最大功率点跟踪，这种跟踪方式还不能够充分、有效地利用太阳能。在此基础上设计出跟踪准确，控制可靠的双轴跟踪系统，并采用视日运动跟踪和光电跟踪相结合的跟踪控制策略，有效的提高了太阳能发电的效率。

关键词： 太阳能；双轴控制；传感器

0 引言

随着全球工业的快速发展，全球能源匮乏和大气污染日益严重。太阳能作为一种清洁可再生能源，对解决以上问题起到了不可替代的作用。我国太阳能资源丰富，分布广泛，因此充分开发利用太阳能资源对我国有着深远的能源战略意义。

由太阳能电池板的特性可知，它的发电量与光照强度成正对，而太阳光直射太阳能电池板时光照强度最大，当太阳光角度小于这个角时，光照强度减弱。因此在光伏系统中，太阳能电池板的发电效率和它相对于太阳的角有很大关系。试验证明，采用相同功率的太阳电池板，自动跟踪式光伏发电设备要比固定式光伏发电设备提高发电量至少在25%以上，成本下降20%。由于太阳的位置每时每刻都在变化，所以要获得最大功率就必须要太阳能电池板随时跟随太阳的运动轨迹运动，才能保证太阳光始终垂直照射到太阳能电池板上。为实现此目的，就需要用太阳光自动跟踪控制系统来完成。

1 太阳能跟踪控制方法

目前国内外太阳能跟踪控制方法有很多种，常用的跟踪控制方法主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方法。

1.1 视日运动轨迹跟踪方法

太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点的太阳位置，从而完成对日跟踪。可以认为，早上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山，太阳在方位角上以15°/h匀速运动，24h移动一周。高度角等于当地纬度作为一个极轴不变。跟踪过程是将固定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角速度15°/h的速度转动，即可达到跟踪太阳，保持太阳能电池板平面与太阳光线垂直的目的。该方法控制简单，但安装调整困难，初始角度很难确定和调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差等。

1.2 光电跟踪方法

光电跟踪是国内外常用的跟踪方法。高度角和方位角分别利用两只光敏管进行太阳跟踪。4只光敏管安装在一个透光的玻璃试管中。如图1所示，每对光敏管被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。当太阳光线垂直照射光伏阵列时，两只光敏管的感光量在误差允许的范围内视为是相等，输出电压相同。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只光敏管上，使两只光敏管的感光量不相等，输出电压有偏差。根据输出电压的变化来进行自动跟踪控制。该方法的特点是测量精度高、电路简单、易于实现，但在多云和阴天环境下会出现无法跟踪或误跟踪问题。

根据以上分析，本文采取将视日运动跟踪和光电跟踪相结合的跟踪控制策略。在光电跟踪的基础上，同时设置视日运动轨迹跟踪，当遇到乌云遮挡或阴天等天气状况差时，由于光强太弱，光敏管上产生的电信号会低于设定的阈值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪程序进行太阳跟踪，天气好转后自动跳出，继续进行光电跟踪。为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。用视日运动跟踪弥补光电跟踪的不足，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。

2 太阳运行轨迹的计算方法

太阳运行轨迹其实就是计算在地球某一点上观看空中的太阳相对地球的位置。这时，太阳相对地球的位置是相对地面而言的，用高度角和方位角来表示。

2.1 太阳高度角的计算

指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角（或观测点到太阳的连线与地面之间的夹角），其值在0°到90°之间变化，日出日落时为零，正午时刻时为90°。太阳光线与赤道平面的交角称作太阳赤纬角，按照库伯方程，计算太阳赤纬角的方程为

式中：φ为地理纬度；δ为太阳赤纬角；ω太阳时角。

正午时， ，在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有 ，从而h=90°。太阳高度角是一天中太阳高度角的最大值（除极地部分地区外），夏季这个值较大，冬季较小，夏至时最大，冬至时最小。

2.2 太阳方位角

指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为±180°。太阳方位角的计算公式为

3 系统的组成

如图2所示，太阳跟随控制系统主要由光敏传感器、风速传感器、光照度传感器、CPU主控制器、电机驱动单元和保护电路组成。它不仅控制太阳能光伏阵列跟随太阳运动，还具有在大风、阴天等气候条件下的保护功能。同时具备与上位机通信的功能，便于设备的远程控制。

3.1 CPU控制单元

CPU控制单元是整个控制系统的核心，控制策略至关重要。本文采用光电跟踪为主，视日运动轨迹跟踪为辅的控制策略，互补其短，可以得到比较满意的效果。充分考虑到系统在运行过程中，会遇到的各种外界因素的影响（如：大风、夜间光线干扰、阴雨、多云气候等），选择最优的控制方式，从而保证系统的跟踪精度，提高系统的可靠性和稳定性。同时CPU控制单元还具有与上位机通信的功能。

3.2 光敏传感器

光敏传感器是检测光伏阵列是否对准太阳的主要器件。当太阳光垂直照射到光敏传感器上时，四个光敏传感器在规定的误差范围内输出信号全部为零，表示光敏传感器已对准太阳。当太阳光偏离垂直照射光敏传感器时，偏离到一定程度时，光敏管检测到偏差信号从而有输出，控制光伏阵列转动。

3.3 风速传感器

通过风速传感器对风速进行检测，将检测到的信号进行A/D转换传送到主控制器，当风速达到定设定的阈值时，控制部分发出指令，驱动执行机构，调整光伏阵列到水平角度，从而保证光伏阵列单元的安全运行。

3.4 光照度传感器

通过光强传感器对太阳光强进行检测，可以使系统在不同的天气状况下采用不同的控制策略进行自动跟踪，提高太阳能的利用效率。

3.5 电机驱动单元

当控制单元发出跟踪控制信号时，通过电机驱动单元驱动不同类型的电机（如：步进电机等）转动，使光伏阵列重新垂直于太阳光。

3.6 保护电路

由于光伏阵列跟踪支架的高度角和方位角都有极限位置，其中高度角的范围为10°～80°，方位角的范围为±110°。为了跟踪支架的安全，在方位角和高度角的4个极限位置上要设计保护电路。

4 软件设计及工作原理

系统的跟踪装置控制部分主要由主控芯片来完成的，跟踪装置控制系统的主控芯片主要完成两个任务，即光电跟踪和视日运动轨迹跟踪。

下面根据上面的程序流程图来说明跟踪装置的工作过程：当早上太阳升起时，进行程序的初始化。完成初始化之后，读取时钟芯片判断是否为早上六点，如果是再判断此时的天气情况，主要是依靠检测光伏电池两端的电压偏差来进行判断，由光伏电池的特性可知，光照强度越高，电池板两端的电压越大，若测得的输出电压值超出阈值，则认为太阳辐照的光强满足进行光电跟踪的条件。若经过检测没有达到规定的光照强度，则系统自动转向视日运动轨迹跟踪的程序。为了使系统能够更加科学化，本系统采用间隔性跟踪的办法，即系统隔10分钟进行跟踪，这样在很大程度上节省了发电成本而不会影响跟踪的准确度。当进入跟踪尾声时，判断是否为晚上六点，如果是，则结束这一天的跟踪，光伏阵列回到初始位置，等待第二天的跟踪。

参考文献：

[1]Zhang Honglian.Development Application and Constraints of Photovoltaic Technology in China .IEEE Power Engineering Review.2012.3.

[2]郎龙军，太阳能自动跟踪发电控制系统的开发与设计[D].河南科技大学，2010：10-14.

[3]张嘉英，光伏发电自动跟踪系统[D].内蒙古工业大学，2006：45-57.

[4]薛建国，基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].长春师范学院学报，2005（8）：26-30.

[5]Yacov Tsur，Amos Zemei.Long-term perspective on the development of solar energy[J].Solar energy，2000（68）：379-392.

[6]丁伟，太阳能发电自动跟踪控制系统研究与实现[D].南京航空航天大学，2010：6-9.

[7]胡杰、吴磊、赵鸣，51单片机C语言应用与开发[M].北京航空航天大学出版社，2010：31-97.

[8]刘坤、宋戈、赵红波，51单片机C语言应用开发技术大全[M].人民邮电出版社，2008：53-7.