网络控制太阳能光伏板随动系统研究＊

韩 晨，闫振华

（1.新疆铁道职业技术学院，新疆 乌鲁木齐830011；2.新疆德创工控技术有限公司，新疆 乌鲁木齐830011）

1 引言

太阳能光伏板对正太阳，发电效率才能最大。美国研究者通过实验研究发现运行良好的太阳能随动系统能使整个系统提高效率30%以上，HCPV系统[1]结合性能良好的随动系统，发电效率必将大幅提升，当采用的聚光比为500倍、太阳光法线与菲涅耳透镜中心轴线的夹角为0.5°时，发电效率将会下降20%，当偏差角达到1.2°时，发电效率将下降80%左右[2]。

然而，让太阳能电池板时刻对正太阳的过程也需要消耗宝贵的能源，加之现有的太阳能随动系统控制调整都有一定的延迟，感光元件和执行机构易受风沙的污染而失效，人工清理维护耗时费力，大大增加了系统的运行成本，降低了可靠性。这种双轴太阳能光伏板随动系统能精确地执行指令，并且简单、可靠、节能、免维护。

2 双自由度随动系统

现有的太阳能随动主要有主动式和被动式两种。

主动式系统主要由测量系统、控制系统和执行机构三部分组成。测量系统必须暴露在外，很容易受风沙的污染而失效，而感光部件多为精密光电元器件，只能由人工清理，费用高而且清理效果难以保证，比较适合用于实验室环境中。被动式系统直接执行外来指令，系统简洁可靠，但是控制精度受制于控制指令的编制水平。ABDALLAH等将太阳辐照计分别置于双轴跟踪和固定式的太阳能面板上，其中固定式太阳能面板朝南倾斜32°，然后测量太阳辐照的累计值，实验数据显示基于双轴跟踪的辐照接收量远大于基于固定式的太阳能面板，可提高大约41.34%的太阳能接收总量[3]。

双舵机随动系统如图1所示。这种双自由度随动系统使用2只舵机分别控制太阳能光伏板的方位角和高度角，其中垂直安装的舵机控制方位角，水平安装的舵机控制高度角，符合设计安装调试的习惯，可应用于多种场景。

图1 双舵机随动系统

舵机是一种简易的伺服电机系统，结构可靠，价格相对低廉，控制容易，精度足够。现有随动装置的机械加工和现场安装误差远大于太阳位置天文算法的计算误差，而这种双舵机随动系统垂直布置的舵机与底座上的钢管通过所示的法兰进行连接，铅垂和正北刻线可在生产厂家完成整体安装调试，对在现场安装调试的工人的技术要求较低，容易保证安装精度，钢管内剩余空间可用于安装信号接收装置，简洁美观，对安装现场的地形要求很低，只要能立得住一根钢管的地方就可以安装，水面滩涂时均可使用。

2.1 双舵机随动系统的设计难点

出于防风考虑，现有的随动系统通常需要设计更加粗壮的支架和配重，增加了现场的安装难度和系统的制造成本，而图1所示的双舵机随动系统机械结构风格极简，对现场安装的要求最低，并且依靠网络控制，可以根据天气预报提前预警，采取最佳抗风姿态争取极端天气下的最大存活概率，还可降低对机械结构的强度、刚度要求，减少造价。

随动系统的支座可采用薄壁空腔结构，在安装现场填入砂土，减少运输成本，支腿采用钢管灌注混凝土的方法，可获得良好的综合机械性能，其顶端设有法兰连接舵机。

舵机最初用于飞行器的姿态控制，结构轻盈坚固，外部全密封可有效抵御风沙侵袭，因其输出扭矩大，PWM、PID控制技术方便可靠、技术成熟，所以，舵机也经常代替复杂昂贵的伺服电机和谐波减速器，组装成各种机器人，在满足设计精度要求的前提下获得最佳的经济性和可靠性。

舵机的输出端采用蜗轮蜗杆机构，用以实现状态自锁功能，姿态调整完成即可给舵机断电，不必全程耗电保持姿态，克服了现有控制系统全程耗电的弊端。

这种双舵机随动系统的扩展性极强，只需将太阳能光伏板换成反射镜，而后更新控制参数，即可应用于聚光光伏发电系统、聚热发电系统、太阳能自动补光系统和太阳能灶具中，无需做其他改动。

这种双舵机随动系统联网之后，可随时接收网络数据链的即时指令，根据天气预报或现场工作人员的实际观测，实时向发电场所有的光伏板发出指令。

2.2 双自由度随动系统的技术要求

这种双自由度随动系统使用网络数据链的即时指令解决了现有随动系统调不准的问题，不受风沙污染和云层移动的干扰，在最优数据方案的引导下，上午和下午以较慢的频率调节，正午时分太阳光输出功率最大时，以系统的最小分辨率精细调节，即发电能力低的时候少调粗调，发电能力强的时候多调精调，整个控制过程追求节能高产。繁杂的计算过程由后台的计算机完成，运算结果通过网络实时发给现场的执行机构，再通过网络校验结果，可以大大提高系统的可靠性，解决现有随动系统测不准、调不准的问题。

3 网络数据链控制

目前控制参数主要有两种方法：理论计算法可以应用于全球各地，但是控制精度难以保证，最终还是需要试验法的验证；试验法的实时控制精度很高，但是试验过程复杂，成本较高而且数据的可移植性较差。凭借网络控制的执行机构，得到了融合以上两种方法优点的解决方案。

文中双自由度随动系统中的舵机使用的PWM控制信号结构简单，容易实现网络传输，现有的大型太阳能发电场均已通网，使用网络数据链对控制系统进行实时控制是大势所趋。可以使用NREL的数据，将经纬度、海拔高度等数据输入计算机，得到各个发电场自己的PWM控制信号，再利用万能的网络将最优数据适时地传递给执行机构，以取得最高的整体效率，并通过网络将实时数据传回网络数据库，分析计算后更新迭代数据，使之快速逼近最优解。在不明显增加其他成本的前提下得到最大的收益。

每个太阳能发电场设置自己的实验装置，实时监控太阳的运行数据并利用网络传回数据中心的计算机验证PWM控制信号的控制精度。

4 结论

这种双自由度随动系统结构简单，性能可靠，安装方便，采用网络数据链控制技术可以实现远程精确控制，控制策略随时可调，方便灵活，利用数据反馈容易获得最优方案，控制精度高，可以为用户提供最大输出功率和减少运行维护费用，并对新电厂的规划和建设提供决策参考。