光伏追日智能跟踪系统研究与开发

光伏追日智能跟踪系统研究与开发

发表时间：2019-04-22T17:25:18.530Z 来源：《电力设备》2018年第31期作者：徐君燕卜建荣[导读] 摘要：随着环境问题日益突显，国家节能减排任务推进加速的过程中，光伏将会迎来快速发展，跟踪系统将会被广泛应用在光伏发电中。

（浙江工业职业技术学院浙江绍兴 312000）摘要：随着环境问题日益突显，国家节能减排任务推进加速的过程中，光伏将会迎来快速发展，跟踪系统将会被广泛应用在光伏发电中。本论文主要针对太阳能光伏电站开发应用，以及太阳能照明、农业大棚等相关应用。使用跟踪系统的光伏电站在成本控制、收益增加、问题检修快捷方面都非常大的优势。

关键词：太阳能光伏；GPS；RS485 Modbus协议通信 0 前言

太阳能作为清洁可再生能源，其开发和利用将成为解决能源和环境问题的重要手段。预计未来30年内全球能源需求将是大约30-60TW，因传统能源枯竭，风能、生物能等可开发资源总共约8TW，只有太阳能是唯一能够保证人类未来需求能量来源。能源缺口必将选择太阳能。因此，无论什么危机，都无法改变它最终成为人类替代能源必然趋势。目前，阻碍跟踪器在国内大规模运用的主要原因在于对系统稳定性的担忧。本项目将光伏跟踪器开发成典型的嵌入式机电一体化控制系统，包括机械、电子、软件三大部分，主要完成五个关键技术研究：直流无刷电机驱动技术、倾角传感器位置检测技术、天文算法技术、嵌入式操作系统应用技术、物联网远程监控技术，确保开发单双轴跟踪器获得较大的稳定性和发电量的提升。 1系统设计分析现在行业内开发应用的跟踪系统稳定性、跟踪精度都还存在问题，实用性不强，所以跟踪市场还处在一个起步调整阶段。针对行业技术现状，开发智能、高稳定性跟踪系统，具有非常明显的竞争优势。另外，大型光伏电站群管控平台的建设可有效解决目前国内众多的光伏电站形式粗放、电站内设备监测及管理手段效率低等问题。本设计采用物联网技术，在控制器能增加网络模块，通过以太网或无线形式将跟踪器系统运行状况实时传送到后台监控程序，一旦检测到设备故障，监控软件会给出相应的报警提示。通过基于物联网技术的大型光伏电站的智能感知、多参数采集、可靠传输和高质量管控等关键技术的研究，着手提高大型光伏电站的自动化和信息化技术水平和整体运营效益，具有巨大的经济价值和社会效益。

设计系统主要包括以下研究内容：（1）高精度天文算法研究。根据天文理论，建立数学模型，通过系列的运算将输入的经纬度参数和时间参数转换为当地的太阳高度角和方位角。

（2）传感器及信息采集系统设计。从系统长久稳定性考虑，本系统拟摒弃传统的光电传感器，采用集成芯片处理固体摆电容倾角传感器输出的微弱信号，通过放大积分将输出的信号转变成与倾角变化成线性关系的电压。

（3）机械传动结构及无刷电机驱动设计。拟采用直流无刷电机电子换相取代电刷换相，解决因机械换相产生火花的问题，也不需要定期更换碳刷，提高其可靠性高、防护性能，使其可以在灰尘、潮湿等场合使用。本系统拟以三相绕组星型连接全控桥式电路及120°霍尔位置反馈信号为例，设计直流无刷电机控制系统的电源电路、驱动电路、电流检测及过流保护电路。

（4）远程监控系统设计。拟采用嵌入式以太网模块，将控制器系统参数实时的通过以太网远程传送给监控软件，以便监控人员能及时获知系统运行状况。

2 系统设计方案

基于天文算法理论，通过GPS获取安装点的经纬度和时间信息，实时计算出太阳高度角和方位角，然后借由倾角传感器获取电池板的实际角度，根据实际角度和目标角度的差值来驱动直流无刷电机，使电池板对准太阳，实现跟踪器的追日目的，达到最大程度提高太阳能的利用率。具体性能指标为：交流220V供电，跟踪范围-60°--+60°、跟踪精度为1°，系统最大抗风等级为20m/s，具有阴影规避算法、采用RS485 Modbus协议通信、GPS自动定位授时。具体实施：（1）跟踪器控制系统：包括电源管理、RTC时钟读取、GPS信号解码、人机交互处理、电机驱动、传感器信号采集及485通信几大部分。

图1 跟踪器控制系统结构框图电源管理部分将输入的24V直流电压经DC-DC降压为5V，然后通过LDO转变为3.3V给微处理器供电。系统上电后，首先读取GPS信号，解码正确后更新板载RTC芯片时间，然后系统以GPS提供的经纬度和RTC时间为参数，实时计算太阳高度角和方位角。由于天文算法是控制的基石，所以GPS模块和RTC芯片的选取均需满足一定的要求。

（2）电机控制系统电机驱动是系统可靠执行的保障，为此将驱动作为一个分立模块，单独设计，其原理框图如下。MCU实时检测电机位置信号和整机运行电流，同时根据用户输入的使能和方向信号切换电机运行模式（停止，东向运行，西向运行，紧急制动等）。电机驱动属于功率电路，MOS管的选型、PCB的布线等均会影响系统的工作特性。

（3）远程通讯系统系统软件部分引入嵌入式微操作系统，将整个系统按功能分为多个任务，每个任务按其实时性要求和是否为关键代码而配以不同的优先级。任务间独立运行并通过信号量、消息邮箱等方式实现任务间的通信。此举简化系统设计，加强程序的健壮性，提高CPU利用率，简化代码维护。

3 仿真结论

项目采用物联网技术，在控制器能增加网络模块，通过以太网或无线形式将跟踪器系统运行状况实时传送到后台监控程序，一旦检测到设备故障，监控软件会给出相应的报警提示。通过基于物联网技术的大型光伏电站的智能感知、多参数采集、可靠传输和高质量管控等关键技术的研究，在光伏发电中，在外部条件相同的条件下，采用追踪系统的太阳能电池板比固定的太阳能电池板发电量提高30％，本项目产品推广到太阳能光伏电站开发应用，以及太阳能照明、农业大棚等相关应用，使用跟踪系统的光伏电站在成本控制、收益增加、问题检修快捷方面都非常大的优势，对提高大型光伏电站的自动化和信息化技术水平和整体运营效益，具有巨大的经济价值和社会效益。参考文献

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作者简介：（1980－），女，副教授，主要从事工业自动化及优化控制研究。

项目来源：2017年绍兴市科技计划项目—公益性技术应用研究计划（项目编号：2017B70073）