便携式跟踪光伏发电装置设计及其跟踪效果分析

便携式跟踪光伏发电装置设计及其跟踪效果分析

张锡鑫; 杨帆; 刘德利; 殷谦; 宋鹏飞; 田文涛

【期刊名称】《《发电设备》》

【年(卷),期】2019(033)006

【总页数】5页(P422-426)

【关键词】光伏发电; 跟踪系统; 发电量; 太阳能辐射; 纬度

【作者】张锡鑫; 杨帆; 刘德利; 殷谦; 宋鹏飞; 田文涛

【作者单位】东南大学能源与环境学院南京210096

【正文语种】中文

【中图分类】TM615.2

太阳能具有储量丰富、利用方便的特点，近年来发展十分迅速。据国家能源局的数据，2016年全球光伏新增装机量76 GW，其中我国新增装机量占45.5%，达34.5 GW[1]。为提高设备对太阳能的利用效率，可利用太阳能跟踪系统使光伏电池板受光面始终朝向太阳，从而提高电池板的太阳能接收率，采用了太阳能跟踪系统的太阳能利用设备最高可提升30%以上的利用效率[2-3]。近年来，随着移动智能设备、电动汽车的广泛使用，以及应急、野外发电方面的需求，移动式光伏设备具有广阔的发展空间。

目前常见的太阳跟踪方式主要有闭环的光电或图像传感器跟踪、开环的视日运动跟踪及开闭环相结合的跟踪模式[4]。王金平等[5]设计了一种基于可编程编辑控制器

(PLC)的槽式太阳能集热器视日运动跟踪系统，成本较低，采用的算法精度与国际

上较先进的高精度太阳位置的计算算法相当；王红睿等[6]设计了一种开环视日运

动跟踪及闭环视觉伺服控制相结合的跟踪系统，提出了基于图像信息的跟踪系统切换方法；李相俊[7]提出了一种基于Arduino控制器的闭环光电太阳跟踪系统，可实现物联网功能。

目前的研究均针对固定式的太阳能利用设备，体积较大且成本较高。因此，笔者设计了一种便携移动式、开闭环相结合、低成本的双轴太阳能跟踪系统，并针对该系统进行了相关的模拟分析。

1 整体方案

笔者所设计的移动双轴跟踪系统整体结构见图1，具体的系统三维设计见图2。

图1 系统整体结构示意图

1—稳压器及电压电流传感器；2—舵机；3—支架；4—实时时钟；5—控制板；6—姿态传感器；7—温湿度传感器；8—蓝牙无线传输模块；9—光敏二极管模块；10—光敏电阻模块；11—光伏电池板；12—蓄电池

图2 系统三维设计图

该系统主要由太阳能电池、控制板、传感器组、支架与传动、无线传输、稳压及蓄电池和用电器部分组成。控制板通过读取传感器组中各组件的数据，经处理后通过控制支架传动器件以实现电池板跟踪太阳的目的；同时控制器可将电池板角度、电压、电流、环境温度及湿度等数据通过无线传输部分传输至用户手机，或者接收手机发出的控制指令；光伏电池板产生的电能则经稳压及蓄电池稳定处理后，供给用电器使用。

2 软硬件的设计

2.1 软件设计

闭环太阳跟踪系统设备灵敏度高，设计比较简单，但受天气及其他因素影响较大，可能发生误动；开环太阳跟踪系统的设计制造比较简单，但不够灵活[8]。若可以

将两者优势恰当地结合在一起，避免其中的缺陷，辅以稳定系统，则可以进一步提升跟踪的精度及设备的安全性。相比基于图像传感器的闭环太阳能跟踪模式，光电传感器组成本较低。综上，笔者设计的系统采用了闭环光电跟踪模式及开环视日运动跟踪相结合的跟踪模式，并实现了智能切换，以最大程度提升跟踪的精度，防止因误动带来的能量损耗及设备损坏。

系统工作于闭环跟踪模式时，控制板可分别读取设于电池板4个角上的光敏二极

管的数据，将数据划分成上、下、左、右4组，分别对四周不同方向上的光强比较，并在未超限状态下通过水平及垂直方向的舵机控制太阳能电池板向光强一侧移动。另外，传感器数据相差较大时，使用较高速度移动，较低时以低速精确移动。这里的光敏传感器使用光敏二极管，这是由于光敏二极管方向性较好、响应速度快，可精确感受该方向的光强变化。

当处于云量较多或阴天等太阳光线较弱的天气状况时，不同方向上的光敏电阻差异过大，控制板会自动将跟踪模式调整到按实时时钟时间数据计算太阳位置运行的开环跟踪模式，从而保证跟踪的效果，防止出现误动等异常情况。光敏电阻可感受的范围较大，可更为迅速地感受到周围环境光强的变化，因此选用了光敏电阻。

为防止系统频繁切换工作模式而造成不必要的能量损耗及安全问题，控制板内有延时程序，当环境光照变化时间超过一定限值时，才会允许跟踪模式进行切换。跟踪控制部分的程序流程见图3。

图3 跟踪控制程序流程图

为了保证跟踪精度，开环跟踪模式采用的太阳方位计算公式如下[8]，其中所需的

时间数据可通过读取实时时钟芯片获得。

(1)

αs=arcsin(sin φ·sin δ+cos φ·cos δ·cos ω)

(2)

γs=arccot(sin φ·cot ω-cos φ·tan δ·csc ω)

(3)

ω=(t-12)·15

式中：δ为太阳赤纬角，(°)；αs为太阳高度角，(°)；γs为太阳方位角，分别以地平线及正南方向为0°，(°)；n为当日日期在该年内的序号；φ为当地纬度，(°)；ω为太阳时角，当时间为上午(即太阳位置在东南方向时)符号为正，(°)；t为当地时刻。

2.2 硬件设计及选型

2.2.1 控制器的选型

为了满足系统的控制要求，控制器选用了Arduino NANO v3。Arduino NANO v3采用一块贴片式ATmega328P 8位处理器作为主控芯片，尺寸较小且本身电流只有19 mA，但引脚最高可输出200 mA电流，可以驱动舵机。Arduino NANO v3共有22个可用引脚，其中6个数字引脚具有输出脉冲宽度调制(PWM)信号的功能，能够用于控制舵机，所具有的8个模拟输入引脚可以方便地连接光敏器件。而采用Arduino IDE编辑控制程序可以节省编制程序所需的时间以提升效率[9]。

2.2.2 驱动电动机的设计及选型

与步进电动机相比，舵机具有反应快速、精度较高且功耗较小等特点。同时，每台步进电动机往往需要4个或更多的I/O口用于控制，而舵机仅需1个具有输出PWM信号功能的I/O口即可控制，可以节省I/O口资源，因此该系统选择舵机作