自动跟光太阳能光伏发电系统设计

刁 颖，陶国彬，王中钰，杜艳萍，马 磊

（1.东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆163318；2.大庆装备制造集团射孔弹厂 黑龙江 大庆163853；3.大庆油田矿区服务事业部物业管理二公司 黑龙江 大庆163411；4.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆163318）

自动跟光太阳能光伏发电系统设计

刁 颖1，陶国彬1，王中钰2，杜艳萍3，马 磊4

（1.东北石油大学 电气信息工程学院，黑龙江 大庆163318；2.大庆装备制造集团射孔弹厂 黑龙江 大庆163853；3.大庆油田矿区服务事业部物业管理二公司 黑龙江 大庆163411；4.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆163318）

本文针对光伏系统发电效率偏低问题进行改进设计研究，设计采用光伏系统自动跟光技术，针对光电检测模块、计算机控制模块、步进电机驱动模块进行研究，再对跟光系统跟光原理进行分析，在此基础上完成自动跟光太阳能光伏发电系统的整体设计。通过对自动跟光式光伏发电系统与固定式光伏发电系统的测试，数据结果表明，该系统发电效率相比于固定式发电效率提升37%，系统能够准确跟踪太阳位置，系统运行稳定。

太阳能；光伏发电；发电效率；自动跟光

鉴于能源危机以及环境恶化问题的日益加重，太阳能光伏发电凭借其取之不尽、用之不竭所特有优势得到了快速发展。但是，相对于其他可再生能源而言，由于发电效率偏低和发电成本偏高的问题，光伏发电系统同样存在其弊端，因此针对这两大问题的研究，对于光伏产业而言，将会起到极大地促进推广的作用[1-7]。传统的光伏组件大多采用固定式的安装模式，由于其组件安装角度固定，其倾角不跟随太阳的运动而改变，因此导致太阳能极板所接受到的辐射强度会跟随时间而不断改变[8]。据推算：若光伏组件与太阳光线存在25度的角度偏差，就会因此导致垂直入射的辐射能降低，使光伏组件的输出功率下降10%左右。因此采用自动跟光式光伏阵列结构能够有效提升光伏阵列发电效率[9-12]。

1 太阳能光伏发电系统

自动跟光太阳能光伏发电系统整体结构框图如图1所示，其中虚线区域外为光伏电源系统流程结构，虚线区域内为太阳跟踪系统流程结构[13-15]。

图1 自动跟光太阳能光伏发电系统整体结构框图

光伏电源系统中，太阳能电池阵列将光能转化为电能，然后传输给充放电控制器进行处理，蓄电池接入端子连接蓄电池，负载输出端子连接逆变器、DC/DC变换器，DC/DC变换器将电压降为5 V，连接直流负载以及对数据处理、通信等模块进行供电，逆变器将电压升为220 V交流电，对交流负载进行供电。太阳跟踪系统中，光电检测模块是整个跟踪系统的前提，计算机控制模块为整个跟踪系统的核心，光电检测模块将检测到的信号传输给计算机控制模块进行分析，计算机通过对数据的分析从而控制步进电机驱动模块驱动电机进行转动，达到太阳跟踪的目的。

2 光伏发电系统硬件设计

2.1 光电检测模块

光电检测模块主要是用于检测太阳高度角与方位角的变化，其基本原理是利用光敏电阻在光照强度发生变化时阻值也会发生变化的原理，将4只光敏电阻分别放置在太阳光接收器的东南西北四个方向上，侦测这4个方向的光照强度。

图2 光电检测模块电路设计图

若太阳光垂直照射于太阳能电池板上，则相对方向的两个光敏电阻所接收到的光照强度相同，光敏电阻的阻值变化率相等，电机不转动，若太阳光的入射角度不是垂直于太阳能电池板，则相对方向上的光敏电阻所接收到的光照强度不同，其阻值变化率不等，电机将带动太阳能电池板向着太阳光能够垂直入射太阳能电池的方向转动。从而实现太阳能电池板的自动追光功能，其电路设计图如图2所示。

2.2 计算机控制模块

在本系统中，AT89C51单片机为整个控制系统的核心，起着协调太阳方位检测、驱动控制等各模块工作的作用，使系统能过稳定的运行。系统设计中AT89C51外围端口的分配情况如表1所示。

表1 AT89C51外围端口分配表

表1中，P1.0～P1.3为步进电机脉冲信号及模式信号的信号输出端。P2.3～P2.5为单片机与DS1302的通信控制端口，通过DS1302芯片为单片机实时提供时间信息。P2.6～P2.7为太阳方位检测信号采集端口，连接PCF8591芯片，将经过A/D转换后的电路电压比较信号输入到单片机中。其中，高度角步进电机带动太阳能极板做俯仰运动，方位角步进电机带动太阳能极板做水平旋转运动。

2.3 步进电机驱动模块

图3 驱动电路设计图

步进电机驱动模块主要受计算机控制模块进行控制，考虑到跟踪系统的执行机构需要能够对角度进行精确控制以及对执行机构的跟踪速度要求不高的因素，本系统采用步进电机进行太阳跟踪。

作为机电控制中常用的一种执行机构，步进电机的作用是将电脉冲量转化为角位移量。脉冲信号通过步进电机驱动电路传入步进驱动器中，步进电机根据脉冲信号的高低电平的数量，按设定的方向转动相应角度的角位移量（即步进角），从而达到准确定位的目的。其驱动电路设计图如图3所示。

3 跟光系统软件设计

跟光系统是指太阳的方位跟踪，流程图如图4所示。

图4 跟光系统流程图

首先，通过太阳方位检测电路对方位信号进行采样，得到输入电压信号 Ua、Ub、Uc、Ud，而后通过单片机控制模块对采集到的信号进行处理，得到太阳在方位角与高度角上的偏移量Ex、Ey。然后，对Ex、Ey的绝对值与方位角和高度角的阈值e1、e2分别进行比较，若均小于阈值，则跟踪结束；反之，则需要进一步的调整跟踪机构追踪太阳，根据Ex、Ey的符号调整电机的旋转方向，根据Ex、Ey的值调整电机旋转的角度，而后进入下一次光电跟踪，直至Ex、Ey的绝对值小于各自相应的阈值e1、e2，则光电跟踪结束。

程序设计思路：程序开始首先进行初始化，而后获取经过AD转换器进行转换的数据并对其进行比较，从而控制步进电机继电器的开关达到跟光的目的。

4 光伏发电系统测试

将光电检测模块、单片机控制模块、步进电机驱动模块、手动操控模块各模块进行整合，组成完整的独立供电太阳能光伏发电系统，对系统进行测试，其系统实物图如图5所示。图5上部分为自动跟光系统，四块太阳能极板串联连接，固定在转动轴上，光电检测模块固定在太阳能极板的上部，与板面保持平行。图片下部分为系统的光伏电源系统，该部分系统通过线缆对跟光系统进行供电，使得跟光系统能够稳定的运行；同时，太阳能极板通过线缆将经过光伏电池转换后的电能传输到该系统中，经过控制器、逆变器等器件将电能储存转换为可用的交流电与直流电供给负载使用。

图5 独立供电太阳能光伏发电系统实物图

避免周围建筑物以及树木等产生的阴影，对测量结果产生影响，实验选择在学校教学楼顶层平台进行，具体为东经124.16度、北纬45.82度。此外，另设计了一套由同样规格的4块太阳能电池板进行串联的固定式光伏发电系统实验设备。每隔两分钟，分别对两组设备进行开路电压与短路电流的采集，进行为期两天的实验测试，选取其中一天的数据进行分析对比，该日天气情况为上午阴天下午晴天。

图6 开路电压对比图

图6为开路电压对比图，由图可知，阴天时跟踪式与固定式光伏发电系统曲线很接近，电压相差不大；晴天时，两天曲线分开的很明显，跟踪式光伏发电系统的开路电压要明显高于固定式光伏发电系统的开路电压，尤其是下午四点至四点半，由于此刻固定式光伏阵列始终是面向正南，因此接收到的辐射量很少，而跟踪系统始终跟随太阳的运动，因此接收到的辐射量要明显多于固定式，开路电压也比较高。

图7为短路电流对比图，由图可知，阴天时跟踪式与固定式光伏发电系统曲线区分不明显，且短路电流值都比较小，晴天时跟踪式与固定式光伏发电系统曲线区分尤为明显，跟踪式短路电流高达4.66 A。

图7 短路电流对比图

图8 输出功率对比图

图8为系统输出功率对比图，由图可知，阴天时跟踪式与固定式系统输出功率都不高，并且曲线很接近，晴天时跟踪式光伏系统输出功率明显高于固定式光伏系统输出功率，曲线分开的很明显。由此，通过计算可知，跟踪式结构的光伏系统，其输出功率相比于固定式光伏系统输出功率提高37%，即自动跟踪系统相较于固定式光伏系统发电效率提升37%。

5 结 论

文中所设计的自动跟光太阳能光伏发电系统是在对传统的固定式独立光伏发电系统如何有效的提高其光伏发电效率的研究的基础上提出的，硬件具有可便携、光伏发电效率高、跟光系统稳定等特点，软件算法运行流畅，通过实际测试表明，该系统设计比较合理，跟光系统能够准确、稳定的跟踪太阳，能够将更多的电能提供给用电负载使用。

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Design of automatic and solar photovoltaic power generation system

DIAO Ying1，TAO Guo-bin1， WANG Zhong-yu2， DU Yan-ping3， MA Lei4
（1.Northeast Petroleum University School of Electrical and Information Engineering， Daqing 163318，China； 2.Daqing Equipment Manufacturing Group Charge Factory， Daqing 163853， China； 3.Daqing Oilfield Mining Services Division of Property Management Company， Daqing 163411， China；4.Northeast Petroleum University College of Earth Sciences， Daqing 163318，China）

In this paper，we propose a new approach to improve the power generation efficiency of photovoltaic system.We first use the automatic light tracking technology，and focus on the photoelectric detection module， computer control module and stepper motor driver module， and then analyze the working principle of light tracking system，at last build the whole system of automatic light tracking solar photovoltaic systems.We compare our method with the fixed photovoltaic power generation system，and the results show that the effectiveness of the proposed system is 37%more than the fixed photovoltaic power generation system.Further，the system can stably accurately track the position of the sun.

solar energy； photovoltaic power generation； power generation efficiency； automatic light tracking

TN361

A

1674－6236（2017）12-0093-04

2016-05-04稿件编号：201605030

刁 颖（1990—），女，山东莱芜人，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。