高精度太阳能跟踪控制器

王小鑫， 胡红利， 王 博

(1.西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室，西安 710049;2.中煤科工集团西安研究院，西安 710077)

0 引言

随着各种能源问题和环保问题日益突出，人们对太阳能等新能源的开发利用越来越重视。如何提高太阳能利用率一直都是光伏发电应用中面临的主要难题之一［1－2］，光伏发电系统中，当电池板垂直于太阳入射光线时，发电效率才能较高。太阳能跟踪器就是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置。

为了提高太阳能的利用率，本文提出一种基于可编程逻辑控制器PLC的固定轨迹粗略跟踪与光电传感器精确跟踪的双模式太阳能跟踪控制器。其中，固定轨迹跟踪方式是使跟踪装置的控制器根据相关的公式和参数计算出白天太阳的位置，再转化成相应的脉冲发送给伺服驱动器，驱动伺服电机实时跟踪太阳。光电传感器精确跟踪控制是由普通光电传感器和4组暗激发光控开关电路实现，精确地跟踪太阳光信号的最强点，提高太阳光能的利用率。

1 太阳能跟踪器工作原理

太阳的光照强度是随着天气变化而实时变化的，当光照强度较好时，光电传感器对光线比较敏感，此时选用自动追踪模式(即光电跟踪);当天气不好、光照强度比较弱时，漫反射的加重对光电传感器产生很大的干扰，这种情况下选用固定跟踪模式。图1所示为系统硬件结构，本系统采用双轴跟踪，利用高度角－方位角式跟踪，采集来的光线数据和当地时间、位置等信号通过特定的电路进行处理后，输入带有模数转换模块的PLC内，经过PLC内部程序的处理得到太阳位置偏差角度，进而驱动电机实现对太阳的精确跟踪。

图1 太阳能跟踪器系统硬件图Fig.1 Solar tracker system hardware

2 太阳能跟踪器各模块设计

2.1 光电传感器跟踪模块

光电自动跟踪模式是使用光电传感器作为探测元件，实时探测太阳位置并将信号送达核心处理芯片进行处理后来完成对太阳位置的探测和跟踪［3］。本设计采用一种由金字塔式(如图2所示)、光筒式(如图3所示)相结合的光电传感器。

图2 金字塔式Fig.2 Pyramid type

图3 光筒式Fig.3 Light tube type

金字塔式的原理是利用余弦效应［2］，即光线密度不变，根据入射角度的不同，两边的光敏元件接受到不同的光线能量，输出不同的电流值，根据输出可以判断出太阳位置并驱动电动机动作直至输出电流相同，实现太阳跟踪。另外，金字塔式光电传感器还有一个很重要的作用，就是根据光线的强弱程度判断天气情况，继而选择不同的跟踪模式。但是这种结构缺点是精度不够，易受到外界干扰光的影响。

系统采用的光筒式传感器是由四组暗激发时滞继电器开关电路(如图4所示)组成。

图4 暗激发光控开关电路Fig.4 Dark inspire light control switch circuit

其工作原理是:光敏电阻的阻值随着光照强度的降低而升高，当光照强度低于设定值的时候，运放IC的反相端电位就会升高其输出激发VT导通，进而使继电器工作，常开触点闭合。把这样的装置放入光筒底部的东西南北4个方向各一组，当太阳光线垂直照射到光筒内部的光敏电阻上时，4个方向上的继电器都处于开启状态;当光线有一定偏离角时就会造成至少一个光敏电阻接受不到光线或者很弱，其相应的继电器关闭。这样就把电阻模拟信号转化为继电器开关量的数字信号，信号通过PLC设计的比较器比较在一个方向上相应两个继电器开闭情况，驱动电动机向继电器关闭的方向转动，直至两个继电器状态都开启，完成太阳能光电跟踪。这种方式比较简单，对系统的软件和硬件要求都比较低;由光筒结构提供保护，外界干扰光对其影响比较小，系统稳定性好。但是正因为其屏蔽性好，所以有效检测角度比较小。

结合这两种传感器的优缺点，设计一种以光筒式结构为精确跟踪组件、金字塔式为粗略跟踪组件的传感器，如图5所示。

图5 光电传感器模型Fig.5 Photosensor model

此传感器可以实时采集信号对系统位置进行调整，属于闭环控制。这种闭环控制方式，不会受到累积误差的影响;运算处理简单，使得系统的成本降低。但是这种工作方式稳定性稍差，尤其当天气不好的时候，漫反射效应会增大，对传感器的干扰强烈，针对这样的情况，系统采用固定轨迹跟踪模式来相对提高其工作效率。

2.2 固定轨迹跟踪模块

虽然太阳位置是实时变化的，但是它的运行规律还是可循的［4］。软件算法主要根据太阳的运行规律计算其实时方位角和高度角，以及太阳能跟踪控制器的水平角和仰角。利用PLC控制单元按照太阳运行遵循的公式计算得到太阳的实时位置，通过指令使电机驱动太阳跟踪装置，实现太阳实时跟踪。

如图6所示，OXYZ为地平坐标系，O为系统所在地点;οxyz为时角坐标系，原点ο为地心;以矢量 I、J、K来表示X、Y、Z方向的单位向量，太阳光线以单位矢量 S 表示;同样以 i、j、k 来表示 x、y、z方向的单位向量。公式［2］为

图6 太阳位置计算几何学模型Fig.6 Geometry model of the sun position

图中:α为太阳高度角(指太阳光线与地表水平面之间的夹角(0≤α≤90°);γ为太阳方位角(指太阳光线在水平面上的投影和当地子午线的夹角，当太阳在正南方时，γ =0°，正南以西 γ ＞0°，正南以东 γ ＜0°);δ为太阳的赤纬角，随季节变化，夏至时 δ=23.5°，冬至时δ=－23.5°;ω为时角，是用角度表示的时间。

对地平坐标系和时角坐标系进行坐标变换［5］，得

其中，φ为当地纬度角，I与i的夹角为90°－φ;n为1年中的日期序号，从1月1日开始计数;t为北京时间;令日落、日出时高度角为0°，可以得到［6］

由上午时角大于0°，下午时角小于0°，得到

将得到的日出时角ω1、日落时角ω2代入式(6)可以得到日出时间和日落时间，然后通过PLC指令驱动电机实现太阳跟踪。

3 系统设计

太阳能跟踪装置主要由太阳能板、图5所示传感器、底座、立轴、旋轴、两台伺服电机、丝杆导轨等组成，如图7所示。其中立轴由伺服电机1驱动，跟踪太阳方位角的变化;旋轴由伺服电机2驱动，支撑太阳能电池板绕旋轴作俯仰动作，跟踪太阳高度角的变化。

图7 实物图Fig.7 Picture of the tracker

控制系统根据要求检测相关信号，根据信号不同做出相应的运算处理，并控制执行机构做出相应的运动，完成系统的任务。两种模式的转换及信号的采集和处理都需要用到相应的软件和硬件来实现，整体设计流程如图8所示。

图8 整体设计流程图Fig.8 The flow chart of overall design

PLC是太阳能控制系统的核心部分，系统拟采用西门子的S7－300系列PLC。其主要优点有:可靠性高，抗干扰能力强;软硬结合、功能增强、扩展方便;体积小，质量轻、能耗低等［7］。在本文中PLC实现了复位、手动控制、电机转动等功能。PLC对采集到的信号进行一定的处理或对固定跟踪的算法处理后，控制电机驱动器完成两个电机的控制工作，从而带动太阳能接收板转动，使其可以精确地跟踪太阳的高度角和方位角。为了节省资源，系统的工作时间为6:00～18:00，另外有手动控制模块，主要控制系统开启、关闭及电机运转(如方位角和高度角的电机正反转);有LCD显示模块对太阳位置信号及精确时间进行相应的显示，方便日出日落的判断，同时也增加了人机对话等。

4 跟踪测试结果

地点:西安(东经 108.54°，北纬 34.16°);时间:2011年7月1日，8:00～16:00;天气:晴。对太阳的高度和方位跟踪进行测试，其具体测试方法如下:

1)PC机内设置当地位置和当地时间的初始值，即设定当地的经纬度值和时间;

2)每隔30 min记录电机转动的角度和时间(例如:8:00 时刻的高度角为 36.39°，方位角为 85.06°)。

图9为太阳高度角跟踪测试结果图，图10为太阳方位角跟踪测试结果图。

图9 太阳高度角跟踪测试Fig.9 The solar elevation angle tracking test

图10 太阳方位角跟踪测试Fig.10 The solar azimuth tracking test

通过分析连续跟踪测试，验证了本文设计的太阳能跟踪控制器所跟踪的太阳高度角和方位角精确度满足要求(小于1°)。

5 结论

所设计的太阳能跟踪控制器装置具有设计合理、制作简单、成本低、实用性强等特点。经过方位角和俯仰角两个自由度进行跟踪，跟踪机构运转良好，能够达到对太阳的精确跟踪，跟踪误差小于1°。针对太阳能利用率的问题，将固定轨迹粗略跟踪与光电传感器精确跟踪有效地结合起来，取长补短，应对各种复杂的天气变化，从而保证整个跟踪系统准确性高、稳定性强，提高了太阳能的利用率，推动了太阳能应用的发展。

［1］ NOH H J，LEE D Y，HYUN D S.An improved MPPT converter with current compensation method for small scaled PV－applications［J］.IEEE IES，2002，2:1113－1118.

［2］ 杨培环.高精度太阳跟踪传感器与控制器的研究［D］.武汉:武汉理工大学，2010.

［3］ 杨亲民.传感器与传感器技术［J］.电气时代，2000，8:28－30.

［4］ 李申生.太阳能物理学［M］.北京:首都师范大学出版社，1996.

［5］ 沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术［M］.北京:化学工业出版社，2009.

［6］ 舒志兵，汤世松，赵李霞.高精度双轴伺服太阳能跟踪系统的设计应用［J］.伺服控制，2010，8:31－33.

［7］ 李中年.控制电器及应用［M］.北京:清华大学出版社，2006.