小型太阳能平台对日跟踪控制的研究

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摘要：小型太阳能发电系统、热水器都有跟踪太阳转动以求达到最佳对日角度的需求，而现有的控制系统存在诸如成本过高或控制效果差等问题，这就限制了其在小型系统中的应用。本文在借鉴已有的一些控制方式基础上，对如何设计一种低成本并有较好控制效果的控制系统进行了探讨。

关键词：太阳能；对日跟踪；控制

中图分类号：TK511文献标识码： A

太阳能是一种最重要的可再生能源，既可免费使用又无需运输，而且几乎不产生任何污染。随着我国经济的高速发展，能源的短缺和环境的恶化特别是雾霾天气等问题已经成为各个城市急待解决的问题。 在城市中，很多市政公用设施用电负荷不大，地理位置分散，小型太阳能发电正好能满足这种特殊的要求；同时，广大的城市家庭对太阳能也有极大的需求。这些广泛的应用也使得太阳能平台的控制机构得到了深入研究，很多控制机构都非常可靠，效率也很高。目前，这些控制机构的主要功能之一就是对日跟踪的控制，以保证系统始终能吸收更多的太阳能。但是城市中的小型太阳能系统，对于成本极为敏感，这就限制了很多精密可靠的控制机构在小型太阳能系统中的应用。为了提高这些小型系统的效率，使太阳能在城市中能得到更广泛的应用，就急需一种低成本并且有较好效果的对日跟踪控制系统。本文将在借鉴已有的一些控制方式优缺点的基础上，对这种新型控制系统的设计展开初步的探讨。

1、对日跟踪控制系统的功能

自动对日跟踪控制系统都能使太阳能平台对准太阳来吸收尽量多的太阳能。太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化等问题，传统的太阳能平台大都采用固定式安装，即电池板或反光板固定在某个位置，不随太阳位置的变化而移动，严重影响能量转换效率。实验表明，如果发电系统与太阳光线角度存在25°偏差，就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列的输出功率下降10%左右。理论分析表明，对太阳能平台转动的有效控制能使能量的接收率提高30%至40%。这种太阳能平台“跟踪”太阳而转动的技术手段对于以成都为代表的日照强度低的城市有极大的价值，它往往决定了太阳能设备在这些城市是否具有实际使用价值。

2、常见的对日跟踪控制系统分析

目前常见的对日跟踪控制系统根据控制转动轴数不同可分为单轴和双轴控制。单轴控制方式可以实现对太阳在经度上“运动”的跟随，双轴控制方式除此外还可以实现对太阳在纬度上“运动”的跟随。

他们的控制原理主要有：

(1)基于日期时钟程序控制

这是一种被动和基于历史数据的控制方式，其控制原理是根据当前控制系统实时日期及时间数据，从历史数据表格中查询得出当前每个轴的转动角度数据，发出相应控制信号使太阳能平台转动到恰当的角度正对太阳。

(2)光电伺服追踪控制

这是一种主动和基于实时信号反馈的控制方式，其控制原理是使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整平台的位置，直到使太阳光线与平台光轴重新平行，实现对太阳能吸收的最大化。

其他的一些控制原理还有: 压差式跟踪、重力差式跟踪和液压式跟踪等，这里不再赘述。

3、目前的控制系统存在的问题

成本问题严重影响了太阳能设备的普及，特别是对成本敏感的小型设备，更需要在保证一定控制效果情况下采取新的方法来降低控制系统成本。提高一个百分点的能量转换效率，虽然能提高能量的输出总量，但带来的额外的成本支出将更为高昂。以一台输出功率一千瓦的设备为例，如果使用光电伺服跟踪来提高10%的能量转换效率，按每天正常发电8小时，一年即使有280天较好的日照条件，这样能多发电约224千瓦时，大概有120元的经济效益。但是所需的伺服驱动机构即使是单轴控制也至少需要3000元。所以对于这种小型设备来说，更需要的是一种低成本的并且效果相对较好的对日跟踪控制系统，而不是为了提高转化效果不顾成本盲目提高控制精度。

4、小型对日跟踪控制新思路的探讨

(1)驱动机构的选择

原有的对日跟踪系统驱动机构主要是伺服电机和步进电机，这两种驱动方式都可以实现较高的角度控制精度。伺服电机驱动方式扭矩较大，可以驱动较大的太阳能机构，但价格较高；而价格便宜的步进电机扭矩又较小，一般只能驱动很小的平台。对于小型太阳能机构来说，它的特点是对成本敏感而对跟踪精度要求不是太高，所以我们完全可以跳出以前的选择范围，另辟蹊径：用普通直流电机配合减速齿轮箱来驱动，如选择三拓 GW6280涡轮蜗杆减速电机（图一），其扭矩已经到达到上述较大步进电机的水平，完全能够驱动平台转动。

图一

其主要参数：

电压：DC24V 空载转速: 50r/m

负载转速：40r/m输出扭矩：5N.m

额定电流：4A 重量：1.3kg

这些参数除了转速较高，需要一个减速齿轮箱减速外，其余的完全满足我们的需求。它的几个特点对于控制太阳能平台也极为有利：

a.涡轮蜗杆减速电机具备分钟一定的自锁性，即在马达在没有电的情况下，输出轴是转不动的，即自锁。这一点对于我们在一定时间保持平台的稳定极为重要。

b.减速箱输出轴方向与马达轴是垂直布置，整个马达体输出轴方向相对普通减速马达超短，广泛适应一些对安装尺寸有该方面要求的场合。

c.该款电机未减速端轴上已经配好了磁感应磁铁，可以配合霍尔传感器对转动圈速进行计数，再通过减速比计算，就可以较为精确的控制平台的转动角度。

（2）控制方法的选择

首先需要明确小型系统为了降低成本一般应选择单轴控制，也就是对一天当中太阳在东西方向角度的跟踪。而对于一年中太阳的纬度上角度的跟踪，可以采取一个手动的调节的机构，如螺母螺杆机构，并配以刻度指示，标示出某个季节适合的位置，通过人工在季度例行检查的时候调节。

a、对于一些位置固定的，要求较低的系统，比较适合用基于日期时钟程序控制方式，将当地的每天的太阳角度数据转换为每间隔一小时平台转动角度的数据，存入控制器。控制器工作时，依据实时时间，每间隔一个小时让平台转动一次，实现这一个小时中平均太阳能吸收最大化。

b、对于位置经常变化或要求较高的系统，可以采用经过改进的光电伺服追踪控制方式。此种方式是采用一个小型步进电机作为“侦察兵”，步进电机驱动的小型光电传感器来采集实时光照强度信号。因为小型步进电机耗电低、转动灵活，可以非常准确的跟踪到太阳在天空的角度，将此数据送入控制器，控制器再指挥“大部队”（太阳能平台）转到此角度。太阳能平台动作的间隔时间可以根据现场调试的结果来调整，而不必局限在一小时转动一次。

（3）其他应考虑的问题：

a、当天气异常光照较弱时，如早晨大雾、白天大雨等，若系统检测到光照强度低于某个限值则关闭系统，待光照强度恢复到限值以上时再控制太阳能平台转动到当前所适合的角度。

b、系统应设有大风保护模式，当风速达到设定值时，系统会进入大风保护模式，将太阳能平台转动到与地面平行，降低设备损坏的可能。

c、当机构卡涩等原因致使电动机过载，系统会自动保护，并通过低功耗的LED闪烁报警。

5、结语

为了提高小型太阳能平台的效率，则需要对日跟踪并控制平台转动到合适位置。但原有的技术不是成本较高就是效果较差，本文所提出的方法是在原有技术的基础上加以了必要的改进，这些新技术将有一定的实用价值。如果得以推广，一定能提高城市中小型太阳能设备的使用效果，对太阳能使用的普及也有极大的意义，并促进城市的可持续发展。

参考文献：

[1] 赵争鸣，刘建政，孙晓瑛. 太阳能光伏发电及其应用[M].北京：科学出版社，2005

[2]龚仲华. 交流伺服驱动从原理到完全应用[M].北京：人民邮电出版社，2010

[3] Eduardo.太阳能系统控制(影印版)[M].北京：科学出版社，2013

[4] 吕勇军. 太阳能应用检测与控制技术[M].北京：人民邮电出版社，2012