一种自动追踪光照角度的太阳能光伏支架

唐保明

[摘    要]如今太阳能发电是新能源利用的重要方法。实现光电转换的主要元件是太阳能电池单元阵列。发电不仅与面板功率和运行状态有关，还与直接影响系统性能的能量转换效率有关。所以设置方式对太阳能发电体系的效果有着很重要的影响。因为传统的太阳能面板有固定设置，面板必须固定在某个地方，而不能因为太阳能位置的改变而移动。这种结果严重影响了转换效能。文章重点阐述了具备简化构造，高可靠性和智能特性的太阳能自动跟踪控制系统，为进一步提高太阳能发电的发电效果。

[关键词]光伏发电;自动追踪;光伏支架;光照;现状分析

[中图分类号]TM615 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2021）12–00–02

Solar Photovoltaic Support Capable of Automatically Tracking Light Angle

Tang Bao-ming

[Abstract]Nowadays， solar power generation is an important method of new energy utilization. The main element that realizes photoelectric conversion is the solar cell array. Power generation is not only related to panel power and operating status， but also related to energy conversion efficiency that directly affects system performance. Therefore， the setting method has a very important influence on the effect of the solar power generation system. Because traditional solar panels have fixed settings， the panels must be fixed in a certain place and cannot be moved due to changes in the position of the solar energy. This result seriously affects the conversion efficiency. The article focuses on the solar automatic tracking control system with simplified structure， high reliability and intelligent characteristics， in order to further improve the power generation effect of solar power generation.

[Keywords]photovoltaic power generation; automatic tracking; photovoltaic support; illumination; current situation analysis

太陽能发电是将太阳能直接转换成电能的发电技术。现在市场上很多的太阳能发电设备都是固定式的，但在实际使用中，随着同一天晒在阳光上的太阳能发电板的不同季节以及不同倾角，集热能力也会有较大的改变。阳光投射角过大时，集加热效率明显减少，单位体积集热板的经济性降低。为了达到实时照射太阳光，实时跟踪太阳光的目的，文章提出了一种双轴自跟踪型太阳能支持装置，可以分别驱动节距调整机构和水平旋转机构，双轴自跟踪型太阳光发电支点的传输系统是内置的，减少了驱动马达的数量，易于控制外部的旋转支撑体，作为支撑力的基础，具有高强度和强的耐风性。太阳光发电板，通过节距调整装置大体上水平设置，在恶劣天气下降低机器的损伤，为有效使用太阳能提供更好的选择切断。

1 太阳能光伏的现状

1.1 光伏发电智能双轴跟踪支架系统技术基础

作为无害的绿色燃料，太阳能具有非常广阔的前景，将成为世界各个国家重点发展的绿色燃料。目前，全球太阳光系统支持体的95 %以上在一定的角度安装，已经证明了人们对于太阳能自动跟踪系统的支持方式，并开展了试验。但对于太阳能发电站及其支持工作模式的设计、优化、技术分析以及安全性评价方面的研究还是空白的，结果全球太阳能发电减少了60多亿MW。大量的利用太阳能发电资源的废弃物来自人类的传统思考。所以，通过利用被太阳辐射控制、由气温、风力、相对湿度等参数所补充的太阳能知识，支援由气象条件数据库建立的设置场所，并根据低太阳能的特点，对于解决太阳能发电系统的高电气集成技术的低太阳能使用问题，并通过集成的革新技术，使理论与实践紧密地联系是十分迫切的。控制器应用了结合时间管理与光学控制的管理方法，可以根据局部天气数据创建动态模糊模型，并通过搜索方式进行大功率点监控。同时，理论和成本控制策略也被用于实现太阳能发电智能双轴跟踪系统的节能要求。智能决策软件通过综合智能优化，评价了与太阳能发电水平有关的系统安全性和经济效益，并引入了可再生能源技术和经济效益评价原理。作为连续技术和经济效益分析的基础单元而构成和结合，优化了具有高可靠性和强操作性的跟踪系统方案。基于此，决定了太阳能发电智能支援系统的工作模式。

1.2 原理分析

在所有类型的自动光跟踪系统中，核心部分与光强度的检测相比，其性能是决定太阳能发电系统的系统性能和转换效率的重要指标。因此，在设计中，必须注意选择这个部分的方案，均匀跟踪方法。众所周知，地球的旋转速度是固定的，早上太阳从东方升起，南下向西移动。太阳在方位角以15°/h和24°/h的均匀速度移动。方位角是方位角（需要检查用于校正的局部磁偏角），并且倾斜角等于作为极轴的局部纬度。该跟踪处理是使太阳轨道在垂直方向上以15°/h的旋转速度旋转跟踪太阳，使太阳光面板的表面与太阳光垂直。该方法控制简单，但安装和调整困难，初始角度难以确定和调整，受季节和其他因素的影响很大。因此，控制精度差，一般在低要求时使用。为了最大化太阳光发电单元阵列以获得来自太阳的辐射能量的同步方法：除了材料选择和其他问题之外，还应考虑方位角和倾斜角的选择。因为它与时间、季节、本地经度和纬度等诸多复杂因素有关。因此，如上所述的数据可以预先输入微处理器，并且可以通过程序表搜索来计算方位角和倾斜角，从而实现时间和空间的同步并且最终实现精确控制。这种方法精度高且适应性好，但是程序复杂，难以实现。光强度比较光敏电阻是电阻传感器。当受光强度变化时，其电阻值发生变化，光信号被转换为电信号。如果日光在3个感光电阻上完全垂直地发光，则他们得到的电压完全相等。通过微处理器所得到的电压数据相等，如果控制马达不工作的阳光完全垂直地发光，则电压不相等，则必须用3个电压，微处理器为了使日光再次在平面上垂直地发光而对应的模式该方法的特点是易于实现高测量精度、简单电路和全天候跟踪，采用了该计划。

2 一种自动追踪光照角度的太阳能光伏支架

2.1 光伏发电智能双轴跟踪支架系统设计

基于有限元分析理论，对机械支撑结构的重力和风荷载进行了计算和分析，提出了智能辅助系统的荷载和抗风要求。高度和日照，通过补充温湿度参数气象状态数据库，完成智能决策系统。时间控制策略与前端控制器、光学附加控制器、时间控制器与光学控制系统共同用于控制太阳智能双轴跟踪支援系统。若控制器在时间控制模式下，其控制算法通过光强度传感器，按照地球的局部长度和宽度判断太阳的高度和方位，并通过自然系数（如光线角度）系统状态。采用以伺服发电机角度和控制时间为基础控制功率的模糊动态模型，并引入变步长间歇搜索法，同时还将混沌理论和成本管理策略相结合，从而达到了对太阳能发电控制的节能要求。该控制系统具有保护、负载控制、自动故障监测以及自动维护与自动修复。控制系统的原理如图1所示。

光电二极管的光特性是输出电流和照明之间的关系，近似为线性。监控系统的检测单元采用二次结构，每个象限包括一个光电二极管，光电二极管后面的电路是完全差分电路。连接电路首先计算相邻信号的和，然后计算差分信号。D系统从中收集电压或电流信号实时5个光电二极管，A/D转换后送到控制系统，处理后送到驱动单元，实现双轴电机的控制信号处理电路，然后将光电二极管的输出信号放大到零并进行完全处理，从而达到了A/D转换器的低输入转换要求，为提高效率，接收由8个Pic系列微型芯片企业制造的微芯片微型计算机系统。微芯片计算机系统通过了简化的RISC指令、双总线和二级指令流水线的结构。驱动设备中有的直流发电机，它不但对发电机实施电流正负调节，同时还要保证有相应的输出额定电流。并借助平均太阳辐射的计算方法，采用了基于模糊模型的自适应模煳控制系统方法作为调整系统状态，并利用太阳光强、倾角和环境温度确定伺服电机的旋转角和在设定范围内输出功率。最终采用太阳能电池的最大输出功率为电压调整装置的最大值。

2.2 太阳入射角自动跟踪系统设计

适当设计的太阳跟踪系统可以产生比固定系统多20 %～25 %的电力。严格来说，太阳能电池倾斜角度的确定是一个复杂的问题，理想的倾斜角度被划分为初期、中、后半段不同的单轴跟踪、东西水平轴跟踪、南北水平轴跟踪与东西极轴跟踪。太阳系星体的自转轴作为太阳系星体的自转轴总是固定在太阳光的东西水平轴或南北的水平轴线上，而作为太阳能电池组件的自转轴总是使太阳能电池组件的转动角度变化的，极轴是方位角为0、倾角偏差和太阳局部纬度相等的轴，为了使固定在极轴上的太阳能电池组件水平转动的双轴跟踪系统使太阳光和太阳电池件垂直，使用二条互相垂直的旋转轴赤道轴跟踪系统的，两条互相垂直的自转轴都是平行于太阳天体轴（地球轴）的，极轴和赤道轴都平行在太阳地球的赤道附近。赤道轴跟踪系统先被调整，然后必须执行太阳周围地球的自转轴与其互相垂直的太阳向下轴线，還不如说就是太阳天体轴线，所以对太阳赤道纬度的改变相当小，不需要每天调整轴跟踪系统。

在系统控制流程中，在太阳光早上升起时，当太阳能的强度达到太阳能发电单元可以输出的有效电量时，开启了闭环跟踪系统，发电机驱动的太阳电池和太阳能同时排列并开始，然后系统进入“待机中”的状态，此时马达停止动作太阳偏离特定角度时，再次开始“跟踪”的处理。假如天空是阴天或者风力较大，为节省驱动能源，系统处在“暂停和待机”状态，马达会继续工作。如果光伏电池的温度过高，会自动降低其浓度，在当天的黑暗之后，马达首先驱动太阳能电池从向西的“恢复初始状态”到了东边的起始位置，然后“断电和关机”整个系统。只是对传感器控制系统留下弱的电流控制电源。

2.3 中央控制系统设计

中央控制系统采用基于ARM9的微处理器芯片设计。

（1）最大功率点跟踪（Maximum Power Point Tracking，MPPT）控制：检测光伏模块的主电路的直流侧电压及输出电流，计算太阳电池的输出功率，实现跟踪最大功率点的电压、过载、负载状态下等的特殊保护功能。

（2）充放电控制：如果太阳光强度降低到一定程度，那么太阳光发电阵列的最大输出功率就不能再驱动节能LED阵列了。主控制装置启动充放电控制电路，启动电池待机电源。充放电控制不需要在不充分的照明条件下完成最大功率点的探索，需要生成对应于驱动对应的充电开关的PWM。另外，有必要完成电池组的充电状态检测以及电池组的保护对策。

（3）环境数据收集与滤波：将光照和温度传感器布置到太阳能发电阵列周围。A/D和PS-232接口数据采集端口专门为ARM控制器设计。经过滤波后，可以实时获取太阳能或光伏发电系统阵列周围的环境变化数据。同时，根据太阳光天体建设区域的特殊天气条件，建立太阳高度角的日变数据库，将实时收集的数据与日历的气候数据进行比较，共同作为节能LED阵列系统的控制基础。

（4）节能型LED阵列系统控制：如果太阳光照射强，太阳能电池的发电能力充分，则通过太阳电池的直接供电，直接驱动节能型LED阵列。在满足以上条件的期间，剩余电力被输入蓄电池包中。太阳光的照射不足，太阳电池的发电能力不足的情况下，将发电容量直接充电到电池组，通过电池电源的供给使电流系统动作。

3 结束语

太阳光自动跟踪系统是太阳光发电系统的重要组成部分之一，影响整个系统的转换效率，并且总是在作为太阳光发电阵列基础的最大功率点附近工作。太阳光自动跟踪系统为太阳能发电系统的能源提供了优势，在促进普及方面发挥了重要作用，具有广泛的应用前景。对太阳能发电的智能双轴跟踪支持系统的研究开发大大提高了太阳能利用率。广泛应用于太阳能发电系统，促进太阳能发电产业的发展，带来更大的经济和社会效益。

参考文献

[1] 傅定文.光伏控制器的应用和发展[J].阳光能源，2018（4）：13-18.

[2] 崔岩，蔡炳煌.太阳能光伏系统MPPT控制算法的对比研究[J].太阳能学报，2017，27（6）：535-539.