太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计

太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计

发表时间：2019-09-21T11:56:42.470Z 来源：《基层建设》2019年第18期作者：廖春华

[导读] 摘要：为了提高太阳能的利用效率，设计了太阳能光伏发电自动跟踪控制系统。

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摘要：为了提高太阳能的利用效率，设计了太阳能光伏发电自动跟踪控制系统。本文首先对光伏发电进行了简述，介绍了光伏电池的发电原理及光伏发电的优点和不足；其次对光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪这两种自动跟踪方式进行了探讨；最后对自动跟踪控制系统设计进行分析。

关键词：太阳能；自动跟踪；视日运动跟踪；光电跟踪；硬件；软件

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，提高太阳能的利用率，可为我国经济的可持续发展提供强有力的动力支援。当前，如何提高太阳能的接收效率成为研发的重点。

一、光伏发电

1.1光伏电池

太阳能光伏发电主要通过光伏电池进行光能和电能之间的转化，通过PN结的电场效应产生电能。当前光伏电池的种类很多，制作工艺也有很多种，其原理是一致的，如图1所示。

图1光伏电池的发电原理图

光伏电池的发电效率随着太阳光谱分布、太阳光强度及电池自身温度等的变化而不断变化。

1.2光伏发电的优点

光伏电池是以PN结半导体为主，在地球上拥有丰富的半导体制作原材料——硅，因此光伏发电与传统的发电设备相比，有以下优点：（1）太阳能非常丰富，取之不尽，用之不竭，在当前看来，太阳能是一种可以“无限”使用的可再生免费能源。

（2）光伏发电不会产生噪声、有害气体、磁场、光等对人体造成影响的污染物，是真正的绿色环保能源。

（3）适合于各种有太阳光照的环境，一旦安装调试成功，无需进行材料的运输。

（4）当前的光伏设备的使用寿命一般长达25年以上，随着工艺和技术的提高，其使用寿命还会不断增长。

1.3光伏发电的不足

光伏发电的能力与太阳光的强度有着直接的关系，当前社会上的光伏设备一旦安装，在一天之中，其发电的能力随着太阳的转动而不同，这使得发电的效率受到极大的影响。另外，自然界中的风也可能改变光伏电池原有的位置，严重影响光伏电池的发电效率。

二、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。

2.1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。

2.2光电跟踪方式

图2光电跟踪控制示意图

光电跟踪是国内外常用的跟踪方式。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2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。

三、自动跟踪控制系统的设计

3.1系统的组成

如图3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。

图3系统组成示意图

（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。

（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）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。

（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。

（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十太阳光。

（6）保护电路由十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±1100。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。

3.2设计原则

太阳能发电的目的是为了节省能源，提高经济效益，因此，在设计的过程中，要考虑成本和维护的问题。自动跟踪控制系统的设计原则包括如下几点：

（1）系统的可扩展性

根据太阳能发电的需要，随着工艺水平和科技的进步，太阳能光伏电池可能进行更换或数量增加，所以搭建的平台应能够满足更新和维护的需求。

（2）模块化设计

为了缩短研发的周期，模块化设计可以使得设计各个部件更加科学化、标准化，有效提高研发的工作效率。

（3）标准接口

在软件设计上，要预留软件功能接口，为以后的二次开发打下基础。

（4）经济耐用

太阳能电池板需要长年在户外工作，可能会遇到恶劣的风雪天气，在安装的过程中，要考虑到耐用性，避免二次安装。

3.3系统硬件设计

太阳能光伏发电自动跟踪系统的硬件设计要以主计算机控制单元为核心，外围设备由多种传感器（风力、风向传感器、光强传感器、太阳光入射角传感器、方位磁传感器、GPS接收机等）收集的数据信息经过单片机模块分析转化后传给主计算机控制单元，经控制单元运