光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计

张相明，邓 玮，关焕新，金月新

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

光伏发电双轴自动跟踪控制系统的设计

张相明，邓 玮，关焕新，金月新

(沈阳工程学院，辽宁 沈阳 110136)

太阳能光伏电池陈列的发电量与光线入射角角度有关，光线与光伏阵列平面垂直时发电量最大。采用太阳自动跟踪的方式，使太阳能电池板始终保持与太阳光垂直，可大大提高光伏阵列的发电量。采用光感跟踪与时间跟踪相结合的方法，设计了全天候太阳方位跟踪控制系统，系统功能包括检测、跟踪控制方式转换及双跟踪方式的控制。该双轴跟踪系统具有结构简单、稳定性好、精度高的特点，具有广阔的应用前景。

光伏发电;光感自动跟踪;时间跟踪;跟踪控制

为了提高光伏阵列吸收太阳辐射能量的能力，目前国内外大多数研究主要集中在最佳倾角固定安装和传感器跟踪装置［1］。光伏阵列最佳倾角固定安装成本最低，但由于太阳光入射角的变化，光伏阵列不能高效吸收太阳辐射能量，性价比较低。

传感器跟踪 (光感跟踪)是利用光电传感器检测太阳光是否偏离电池板法线，当太阳光偏离电池板法线时，传感器发出偏差信号，使光伏阵列重新垂直对准太阳光。这种跟踪方式全部跟踪信号均来自传感器，系统无需起始定位，只要有阳光，系统就会在180°范围内自动跟踪。传感器跟踪方式的优势是精度和灵敏度较高，缺点是受天气影响大，有云时则无法追日跟踪。自动跟踪装置随时根据太阳的运行轨迹调整阵列表面角度，在相同的辐照条件下吸收比固定安装方式更多的太阳辐射能量。但由于太阳能发电系统的长期工作、气候条件的多变性、复杂性，使传感器分辨率降低，导致电动机经常性动作，浪费电能，造成系统损坏，降低了发电效率［1］［2］［3］。

视日运动轨迹跟踪 (时间跟踪)是根据太阳实际运行轨迹按预定的程序调整跟踪装置跟踪太阳。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪，单轴跟踪只是在方位角跟踪太阳，高度角作季节性调整，双轴跟踪是在方位角和高度角两个方向跟踪太阳轨迹。

本文利用太阳辐射模型和单片机技术设计了一种视日运动跟踪和光电跟踪相结合的控制系统，不仅仅依赖于传感器，系统能够在任何复杂天气情况下工作，最大限度地接收太阳能，提高光伏发电效率;同时考虑一年四季中日出日没时角的变化，利用单片机自动计算工作起止时间。另外，设置了休眠状态，节省了电能，有利于实际应用。

1 太阳辐射模型

太阳在天球上的位置每时每刻都有变化，其位置的确定常用赤道坐标系和地平坐标系从不同角度来表示。

赤道坐标系是把地球上的经、纬度坐标系扩展至天球，在地球上与赤道面平行的纬度圈，天球上称为赤纬圈;在地球上通过南北极的经度圈，天球上称为时圈。用赤纬角δ和时角Ω表示太阳的位置。时角是指太阳所在的时圈与通过南点的时圈构成的夹角。从天球北极看，顺时针方向为正，逆时针方向为负。时角表示太阳的方位，因为天球在24 h内旋转360°，所以每小时旋转15°。

地平坐标系是以地平圈为基圈，用太阳高度角hs和方位角As来确定太阳在天球中的位置。太阳高度角是指太阳直射光线与地平面间的夹角。太阳方位角是指太阳直射光线在地平面上的投影线与地平面正南向所夹的角，通常以南点S为0°，向西为正值，向东为负值［4］。

根据以上的定义，某地在夏至日的方位角是一年中的最大值，冬至日是一年中太阳高度角最小值。知道了这两个特殊日子的太阳高度角和方位角，就能够知道一年中太阳光线对该地的覆盖情况。

2 系统硬件设计

根据太阳辐射计算原理，设计的单片机控制系统硬件电路，如图1所示。

采用操作性很强的51系列单片机89C52，作为中央处理器，外接存储器，用来存放当地纬度等模型参数及中间计算变量。由式 (5)计算当天日出时刻，由单片机发出控制指令，控制驱动电路使步进电动机产生固定步进角，显示、键盘电路用来设置控制参数。

图1 控制系统框图

光电传感器中的光电二极管的光照特性可以近似地看作是线性关系。将光检测部分做成四象限结构，在每个象限安装一个光电二极管，电路的连接是先计算相邻象限信号的和，再计算差［5］。

为确保光伏发电装置在大风条件下不被吹坏，控制系统中设计了风速传感器模块。风速传感器输出脉冲信号，程序进入高速脉冲中断响应子程序，光伏阵列自动放平，大风过后8 min则恢复自动跟踪。

太阳能电池板有两个自由度，控制机构将分别对X、Y两方向进行调整。当电池板转动到两端的极限位置时，由于跟踪装置安装了限位触感器，到限位触点时自动切断脉冲输出，电动机停止动作，该功能起硬件保护作用。

3 系统软件设计

本文中太阳能双轴跟踪控制器，采用了时控与光控相结合的控制方式。采用四象限光敏电阻对太阳高度角和方位角检测，检测精度可根据实际需求进行调整。跟踪器在天气晴好、太阳不受遮挡的情况下，采用光控跟踪方式;在阴雨天等光照度不足时，采用高精度太阳位置算法，根据当地经纬度和时间，准确计算出太阳的实际位置进行跟踪。跟踪器的光控与时控方式互为补充、自动切换，在保证高精度跟踪的同时，不受阴雨天气的影响。在天气由阴转晴时，立刻将太阳光能采集过来，实现了最高效率的太阳能跟踪。跟踪控制系统采用高性能单片机控制，精确可靠，使用方便，抗干扰能力强。同时系统具有风载保护接口，支持外接风速传感器，能够随时控制系统进入机械最大抗风状态。

跟踪系统具备如下功能特点:

a. 全自动跟踪功能，无需人工干预调试;

b. 光控与时控跟踪误差按照实际需求可调;

c. 光控与时控自动切换，光照度强时自动切换至光控状态，光照弱时自动切换至时控状态;

d. 良好的环境适应性，不受阴雨天干扰;

e. 根据经纬度及时间，采用高精度太阳位置算法准确计算当地太阳位置;

f. 抗风设计、夜晚自动放平至初始位置;

g. 方位角跟踪角度为120°;高度角跟踪角度为56°，方位角及高度角跟踪范围可调;

h. 留有手动控制模式，可人工调整跟踪角度。

跟踪模式的控制过程完全由软件实现，可以对不同的地区和不同的气候进行调整，以提高光伏电站的发电效率。控制系统程序流程图如图2所示。

图2 跟踪控制系统程序流程图

时间跟踪单元根据设定时间及位置参数，计算相对太阳实时方位，按照系统设定时间隔，定时向控制单元发送参数信息。光感跟踪单元根据光感位置发送来的太阳光的参数，计算太阳实时方位，按照时间单元设定的时间间隔定时向控制单元发送参数信息。控制单元根据时间跟踪单元或光感跟踪单元发送来的参数信息向传动及支撑装置发送指令。

图3为控制系统电路按键功能说明。

控制程序采用了C语言编程。表1为本文中主要功能函数定义表。

图3 控制系统按键功能

表 主要功能函数

4 结论

本文介绍了双轴太阳能光伏发电自动跟踪系统。系统能自动检测昼夜，实时跟踪太阳。以89C52单片机作为控制器，计算出太阳的实时位置并转化为脉冲发送给伺服驱动器，驱动电动机转动跟踪装置跟踪太阳。全天候太阳方位跟踪控制系统能及时根据天气状况对太阳方位跟踪方式进行控制和选择，将光感跟踪与时间跟踪方式合理地结合，以调整系统运行方式，降低了系统运行能耗。系统采取了抗风保护等功能，保证太阳跟踪系统在恶劣天气条件下安全运行。该自动跟踪系统准确性高，可靠性强，提高了太阳能的利用效率。

［1］ 樊国梁，张晓燕.定时跟踪太阳时角提高光伏发电效率［J］.内蒙古大学学报 (自然科学版)，2010，41(1):116-119.

［2］ 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［D］.2010智能检测与运动控制会议论文，2010，31-33，73.

［3］ 左云波，徐小力，白廷柱，等.全天候太阳方位跟踪控制系统的设计［J］.可再生能源，2011，29(1):86-89.

［4］ 王国安，米鸿涛，邓天宏，等.太阳高度角和日出日落时刻太阳方位角一年变化范围的计算［J］.气象与环境科学，2007，30(B09):161-164.

［5］ 吴小雨，王开宝.光伏发电跟踪控制系统设计 ［J］.机械工程师，2009(1):129-130.

Design of Automatic Dual Axis Tracking Control System in PV

ZHANG Xiang-ming，Deng Wei，GUAN Huan-xin，JIN Yue-xin
(Shenyang Institute of Engineering，Shenyang，Liaoning 110136，China)

The generating capacity of the Solar Energy Photovoltaic Cell arrays is associated with the incidence angle of the sunlight.The power generation is the largest when rays being perpendicular to the planes of photovoltaic arrays.Adapting automatic tracking techniques could always make solar panels perpendicular to sunlight.So it has increased the generating capacity of the Solar Energy Photovoltaic Cell arrays greatly.A new tracking method which combined the photovoltaic tracking method and time tracking method was presented by this article and an all-weather control system for sun tracking was designed.The system includes the detect device，the switching control module and two-tracking control modules.The dual axis tracking system has many advantages，such as a simple structure，good stability，high accuracy，which is helpful to its spread and popularity in applied prosepct.

Photovoltaic generation;Photovoltaic automatic tracking;Time tracking;Tracking control

TM615

A

1004-7913(2013)03-0048-03

国家自然科学基金资助项目 (60972164)

张相明 (1973—)，男，工程师，主要从事太阳能光伏发电系统集成方面的研究工作。

2012-11-30)