太阳能电池的方位跟踪方案比较与设计

２００８年第２期能源研究与利用太阳能电池的方位跟踪方案比较与设计梁勇１，梁维铭２（桂林电子科技大学电子工程学院，广西桂林５４１００４）摘要：分析了太阳能利用中的开环、闭环跟踪的特点，比较了目前常见的几种太阳方位跟踪方案的优劣并说明了它们的应用场合。

提出能适应全天候的一种新型低能耗、高利用率太阳能方位跟踪系统———多方位跟踪。

还分析了多方位跟踪的优缺点，并给出设计模型。

通过实验对跟踪系统的实用性进行了验证，结果达到预定的性能指标，具有广泛应用的潜力。

关键词：太阳能电池；多方位跟踪；双轴跟踪Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｉｎｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙｉｎｔｏｏｐｅｎ－ｌｏｏｐ，ｃｌｏｓｅｄ－ｌｏｏｐｔｒａｃｋｉｎｇ，ｃｏｍｐａｒｅｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｍｏｎｉｎｔｈｅｓｏｌａｒａｚｉｍｕｔｈｔｒａｃｋｉｎｇ，ａｓｗｅｌｌａｓｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ａｎｄｅｘｐｌａｉｎｔｈｅｉｒａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｐｒｅｓｅｎｔｅｄａｎｅｗｔｙｐｅｏｆａｌｌ－ｗｅａｔｈｅｒ，ｌｏｗ－ｅｎｅｒｇｙｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ，ａｎｄｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｓｏｌａｒａｚｉｍｕｔｈｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ－ｍｕｌｔｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｔｒａｃｋｉｎｇ．Ａｌｓｏａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｍｕｌｔｉ－ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌｔｒａｃｋｉｎｇ，ａｎｄｇａｖｅｉｔｓｄｅｓｉｇｎｍｏｄｅｌ．Ｔｒｏｕｇｈｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｔｙｏｆｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｗａｓｖｅｒｉｆｉｅｄ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｐｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｉｎｄｅｘ，ｗｈｉｃｈｈａｓｗｉｄｅｓｐｒｅａｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｏｌａｒｃｅｌｌ；ｍｕｔｉ－ａｚｉｍｕｔｈｔｒａｃｋ；ｔｗｏ－ａｘｅｓｔｒａｃｋ中图分类号：ＴＫ５１２文献标志码：Ａ文章编号：１００１－５５２３（２００８）０２－０００４－０４目前太阳能光伏发电研究非常活跃，太阳能电池板的前端即太阳能方位跟踪很重要，一般采用跟踪技术能提高发电效率３０％以上［１］。

所以人们在方位跟踪方面提出了很多的研究方法和设计方案，并有很多跟踪技术已经应用到实际的光伏发电中，产生了很好的实用效果。

１跟踪控制方式分类在太阳能利用中常见的跟踪装置的控制系统，按照控制系统对控制量（电机转速，转角等）进行控制时，被控制量（跟踪装置的位置，转角）对控制量产不产生影响，即是否存在着反馈，可以把控制系统划分为三类：闭环、开环、混合控制方式［２］，若存在反馈的称为闭环控制，若不存在反馈的称为开环控制，混合控制顾名思义就是开环和闭环控制方式的结合。

１．１开环式开环控制要先确定一个初始位置，根据某时刻太阳相对位置的差值，计算出电机转过该差值所需的脉冲数。

该跟踪控制方式又分为时钟跟踪和程序跟踪方式［３］。

这种方法虽然控制简单，易于实现，但存在当电机失步和堵转时，跟踪就不准确；当连续阴雨天时，不仅不能发电，同时系统连续运行还会消耗大量的功率。

１．１．１定时时钟法时钟跟踪方式，原理图见图１。

根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳能电池板每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得电池板根据太阳的位置而相应变动。

这种方法称为定时法。

这种跟踪可以看作对太阳运动的时角进行跟踪，所以也可称为时角跟踪。

该方法优点是电路简单，但由于不同季节日出日落的时间不同，会降低该系统调整的精确度。

研究与探讨４・・２００８年第２期能源研究与利用图１定时时钟系统原理图１．１．２程序跟踪式这种跟踪方式一种是与计算机相结合的，首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置，最后通过串口送给处理器去控制电机转动装置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。

另一种就是直接利用控制装置的处理器对公式进行计算从而得到所需数据再通过电机去控制电池板。

前一种方法优点是可以利用计算机的强大计算能力，达到精度非常高的效果，其缺点是系统一直依赖计算机，对于独立小型系统来说并不现实。

后一种方法虽然省了计算机，但是对处理器系统的要求太高。

图２程序跟踪式系统原理图１．２闭环式闭环控制方式就是使用一个传感器来测定入射太阳光线和系统光轴间的偏差，当偏差超过一个阀值时，通过电机驱动机械部分转动，减小偏差直到使太阳光线与系统光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪，其控制原理如图３所示。

常用的传感器有光电池、光敏电阻、光电管、一维ＰＳＤ和二维ＰＳＤ光电位置传感器、光电角度探测器等［４］。

闭环控制能够克服开环的缺陷，但需要位置检测信号。

图３闭环系统控制原理图１．２．１光敏电阻式利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻分别做成对称的方位，如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。

当太阳光方向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。

其优点在于控制较精确，且电路也比较容易实现。

但是光敏电阻的一致性差，光电特性在光较强时呈非线性，因此不适宜做检测元件，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。

１．２．２光电管式一般来说，光敏二极管的光电特性在照度小时线性较好，而光敏三极管在照度小时光电流随照度增加较小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。

这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。

其优点在于调整精确度较高，但实现电路过于复杂。

光敏二极管和光敏三极管光电转换半导体器件，与光敏电阻器相比具有灵敏度高、高频性能好、可靠性好、体积小、使用方便等优点。

光敏二极管的光电流小，输出特性线性度好，响应时间快；光敏三极管的光电流大，输出特性线性度较差，响应时间慢。

一般要求灵敏度高，工作频率低的开关电路，选用光敏三极管，而要求光电流与照度成线性关系或要求在高频率下工作时，应采用光敏二极管。

由于光敏三极管和二极管都是用硅基材料制造，它是广谱光感应，它的响应峰值是８５０纳米，极其容易受到近红外线和紫外线干扰，使得用它制造的整机的稳定性差。

无论光敏二极管或光敏三极管，它们不仅对红外线敏感，对较强的日光和灯光也有作用，当光照过强时会使放大电路输出饱和而失控，应加红色有机玻璃滤光，以减少环境光所造成的影响。

１．２．３微型光电池式光电池在不同的光照度下，光生电动势和光电流是不相同的。

一般来说，开路电压与光照度的关系是非线性的，而短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，负载电阻越小，这种线性关系越好，而且线性范围越宽。

因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。

在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。

其优点为调节较为精确，电路也比较简单。

５・・２００８年第２期能源研究与利用图４光敏电阻的光电特性图５光敏三极管的光电特性１－开路电压；２－短路图６光电池的光电特性电流从以上三图可以看出，光敏电阻对光线很敏感，但是在光强很微小的情况下线性度较好，所以一般只适合做成开关式检测器，设计检测方案时，总是围绕它的开关特性展开的。

由于其价格低廉，电路简单，所以这方面的方案最多。

缺点是它的检测精度依赖于与之相关的机械结构，使得体积过大，难以维护。

光敏三极管的光强检测范围较宽，但是其线性度较差。

光电池的光强检测范围最宽，产品一致性好，而且在光强变换的很大范围内其输出电流的线性度非常好，所以它很适合做反馈的光强检测元件。

１．２．４ＰＳＤ光电位置传感器半导体光电位置传感器ＰＳＤ（ＰｏｓｉｔｉｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｅＤｅｖｉｃｅ）是一种基于横向光电效应的光电位置敏感探测器，它可将光敏面上的光点位置转化为电信号。

利用ＰＳＤ的ＰＮ结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置，它能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等；ＰＳＤ器件能连线检测光点的位置而没有死区，且具有灵敏度高、重复性好、分辨率高、响应速度快和电路配置简单等特点。

由于它的测量精度非常高，测量角度的精度可以轻易实现０．１度以内，在太阳能电池板跟踪装置上为配合实现其精度，会使其机械传动结构极其复杂，而未加聚光装置的太阳能电池板对光强的角度并不是非常敏感，所以在聚光太阳能电池板上应该考虑使用，而在非聚光太阳能电池板上就没必要了。

２多方位跟踪设计２．１方位跟踪技术的选择与设计目前在太阳能发电利用中基本上都采用跟踪技术提高太阳能的利用率。

跟踪技术分单轴跟踪和双轴跟踪。

单轴跟踪按转轴的布置不同又可再细分为：南北地轴跟踪、东西水平轴跟踪、南北水平轴跟踪，其中南北水平轴跟踪用得较为普遍，但是考虑到黄赤交角为２３°２７′，也就是说在赤道地区太阳的赤纬每天都在变化，半年的变化范围可达４６°５４′，所以单轴跟踪的太阳能利用率还是不太理想。

后来提出了双轴跟踪。

由于在一年的时间中太阳赤纬变化较缓慢，自动跟踪显得有些多余，而且考虑到太阳能电池发电系统需要有人定期清理（比如给太阳能电池板洗灰尘，检测某些部件的可靠性工作等），我们考虑在方位角跟踪上采用手动调整，在高度角跟踪上采用光电传感器检测和闭环控制进行跟踪。

２．２太阳高度角定位检测由于微型光电池的短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。

在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用，其优点为调节较为精确，电路也比较简单。

结构上，如图７所示采用Ｎ路微型光电池均匀分布在一６・・２００８年第２期能源研究与利用个半圆弧上，当太阳正对某一个微型光电池时，此时它的输出最大，系统就能判断此时太阳的位置而进行跟踪。

当太阳转到两个微型光电池中间时，此时由于这两路光电池输出相等，也能判断太阳的方位而进行跟踪。

图７选取Ｎ等于４时的微型光电池布局图由于每２个微型光电池之间就有一个中间位置，所以共有Ｎ－１个这样的位置，这样Ｎ路微型光电池共能判别２Ｎ－１个太阳方位。

假设我们需要的跟踪范围是１２０°，那么可识别的精度则为１２０／（２Ｎ－１）°，我们可以通过选择Ｎ的值来方便调整需要的精度。

图７是选择Ｎ为４时的微型光电池布局图，定位精度则是１７．１°。

这样太阳任何时间出现在圆弧的任意位置上，只要在可检测的那２Ｎ－１个方位上，电池板便可以迅速跟踪。