太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

高建軍

【摘 要】太陽(yáng)能是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的清潔可再生能源，但是傳統(tǒng)的固定太陽(yáng)能光伏發(fā)電效率較低，無(wú)法滿足當(dāng)今人們用電需求，在此背景下相關(guān)行業(yè)也提出了太陽(yáng)能光伏自動(dòng)跟蹤發(fā)電系統(tǒng)?；诖?，本文重點(diǎn)探究當(dāng)今太陽(yáng)能光伏發(fā)電跟蹤方式，并提出相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】太陽(yáng)能光伏發(fā)電；自動(dòng)跟蹤；控制系統(tǒng)；類型；設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)水平不斷提升，社會(huì)生產(chǎn)對(duì)電能的需求量也不斷提升。眾所周知，傳統(tǒng)發(fā)電會(huì)產(chǎn)生大量的粉塵、廢氣，對(duì)自然環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響，而太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源，取之不盡用之不竭，在當(dāng)今發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛。光伏發(fā)電（如圖1）主要利用了熱能、光能轉(zhuǎn)換，可以將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)化為電能（采用PN結(jié)電場(chǎng)效應(yīng)發(fā)電）。當(dāng)今光伏電池有很多種類，制作工藝也不盡相同，但是光伏發(fā)電的原理相同。光伏電池發(fā)電效率與太陽(yáng)光照強(qiáng)度、電池溫度、光伏分布有著直接關(guān)系。但是傳統(tǒng)的固定光伏發(fā)電系統(tǒng)由于是被動(dòng)接收太陽(yáng)光，因此發(fā)現(xiàn)效率無(wú)法保障。自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)可以跟隨太陽(yáng)進(jìn)行角度轉(zhuǎn)換，時(shí)刻都可以接收太陽(yáng)直射，大大提高了太陽(yáng)光的接收效率。因此，加強(qiáng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的研究有著重要意義。

一、太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤形式

為了能夠提高光伏發(fā)電效率，有關(guān)部門也加強(qiáng)了跟蹤控制系統(tǒng)的研究，并提出了多種方法，通過(guò)對(duì)這些方法進(jìn)行調(diào)研發(fā)現(xiàn)，當(dāng)今最為理想的兩種形式分別為光電跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種，其主要表現(xiàn)在：

（一）光電跟蹤

光敏管可以直接感應(yīng)太陽(yáng)光的強(qiáng)弱，因此可以將光敏管安裝到光伏電池的兩側(cè)，在太陽(yáng)光射入到光伏電池板上時(shí)，所產(chǎn)生的實(shí)際電能會(huì)與事先設(shè)定的閾值范圍進(jìn)行對(duì)比，如果在閾值范圍內(nèi)，則表示光照效果較好，不需要調(diào)整電池板的方向。但太陽(yáng)光會(huì)隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生角度變化，電池所生產(chǎn)的電能也會(huì)隨之減少，導(dǎo)致實(shí)際生產(chǎn)電能小于閾值范圍【1】。此時(shí)光敏管就會(huì)放大電信信號(hào)，控制裝置自動(dòng)捕捉光照更強(qiáng)的角度，確保電池板和太陽(yáng)光處于相對(duì)垂直的狀態(tài)（直射）。

雖然光電跟蹤的設(shè)計(jì)更加便捷、原理簡(jiǎn)單，但是也會(huì)受到自然條件的影響，如果是在晴天，可以根據(jù)太陽(yáng)光射入角度強(qiáng)弱進(jìn)行角度判定，從而保證發(fā)電質(zhì)量，但是到了陰天或多云天氣，由于電池板所產(chǎn)電能變少，再加上光敏管無(wú)法接受到強(qiáng)光，因此無(wú)法自動(dòng)啟動(dòng)控制裝置。

（二）太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤

太陽(yáng)的升起和降落都有章可循，結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)和季節(jié)特點(diǎn)，即可掌握太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)在電池板上設(shè)置控制程序，根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡即可實(shí)現(xiàn)追蹤。如果是在多云、陰天的情況下，也會(huì)按照事先設(shè)定的運(yùn)動(dòng)規(guī)矩進(jìn)行調(diào)整。該形式可以劃分為單軸、雙軸跟蹤方法。其中，單軸以焦線為軸心，并沿著焦線垂直方向移動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)雙向追蹤；雙軸可以實(shí)現(xiàn)高角度、多方位跟蹤，采用水平、垂直兩個(gè)轉(zhuǎn)軸共同組成，內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜一些【2】。但由于我國(guó)大部分地區(qū)都處在亞熱、溫帶地區(qū)，太陽(yáng)高度和照射時(shí)間也會(huì)因季節(jié)出現(xiàn)變化，無(wú)論是單軸還是雙軸，都需要隨著季節(jié)變化進(jìn)行調(diào)整。

（三）對(duì)比分析與設(shè)計(jì)思路

通過(guò)上述介紹可知，兩種形式在實(shí)際使用當(dāng)中都存在著明顯的優(yōu)劣勢(shì)，因此都不符合最終的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為了能夠更好的獲取太陽(yáng)能，可以將兩種追蹤形式相結(jié)合。也就是在太陽(yáng)光充足時(shí)采用光敏管方法，如果天氣惡劣，沒(méi)有充足的太陽(yáng)光時(shí)采用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤方法，這樣即可在任何天氣狀況下最大效率的接收太陽(yáng)光。

二、太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）設(shè)計(jì)原則

應(yīng)用太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備的最終目標(biāo)是提高自然清潔能源的利用率，并且在保障經(jīng)濟(jì)效益的基礎(chǔ)上節(jié)省人力資源。所以在跟蹤控制設(shè)計(jì)當(dāng)中需要保障整個(gè)系統(tǒng)具備足夠的拓展空間，充分考慮光伏電池體積、數(shù)量上的變化等，在平臺(tái)設(shè)計(jì)當(dāng)中為未來(lái)發(fā)展提供一定的冗余。再者，在標(biāo)準(zhǔn)接口上采用軟件功能接口預(yù)留方法，以便于二次開(kāi)發(fā)。為了確保跟蹤系統(tǒng)在未來(lái)使用中的靈活性，系統(tǒng)設(shè)計(jì)最好是采用模塊化設(shè)計(jì)形式，同時(shí)也可以保證整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)性、清晰度，確保整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的合理性和科學(xué)性。

（二）硬件設(shè)計(jì)

將自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，各種傳感器安裝到設(shè)備上為自動(dòng)調(diào)控提供相關(guān)資料，包括GPS定位器、GPS接收器、入射角傳感器、磁傳感方位器、風(fēng)向傳感器等。各類傳感器會(huì)不斷收集太陽(yáng)光數(shù)據(jù)信息，并最終傳輸?shù)娇刂茊卧羞M(jìn)行運(yùn)算，在運(yùn)算完畢后即可發(fā)出指令控制單片機(jī)，系統(tǒng)自動(dòng)傳動(dòng)電機(jī)，確保太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)光處在最佳位置（角度）。具體的設(shè)計(jì)流程為：入射角、風(fēng)力、光強(qiáng)、風(fēng)向傳感器會(huì)將相關(guān)信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)模塊當(dāng)中，和磁傳感器、GPS設(shè)備接受數(shù)據(jù)共同傳輸?shù)娇刂茊卧小Ｔ诳刂茊卧?dāng)中對(duì)所捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后控制驅(qū)動(dòng)裝置和單片機(jī)，根據(jù)各項(xiàng)采集信息數(shù)據(jù)調(diào)整入光角度。雖然整個(gè)流程看似繁瑣，但是在實(shí)際操作中只需要不到0.2s的時(shí)間。

（三）軟件設(shè)計(jì)

在軟件設(shè)計(jì)當(dāng)中，首先要進(jìn)行定位處理，也就是明確太陽(yáng)能電池板的所處位置，并將程序初始化。時(shí)刻關(guān)注光敏管的運(yùn)行狀態(tài)，結(jié)合天氣情況顯示狀態(tài)判定選擇哪種跟蹤形式（光電跟蹤還是運(yùn)行軌道跟蹤）。但是無(wú)論是采用哪種太陽(yáng)光跟蹤方法，都要保證系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)位置，這樣可以及時(shí)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證電池板時(shí)刻都處于最佳位置。并通過(guò)光感器測(cè)量太陽(yáng)強(qiáng)度，由于夜晚光照要比陰天下雨光照低非常多，因此可以設(shè)置夜晚自動(dòng)閉合跟蹤系統(tǒng)，電池板轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)自動(dòng)還原到初始狀態(tài)。待到第二天天亮，或光照度達(dá)到了自動(dòng)運(yùn)行閾值時(shí)，會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟跟蹤功能【3】。實(shí)現(xiàn)全天自動(dòng)化太陽(yáng)光跟蹤運(yùn)行模式。

（四）自動(dòng)調(diào)節(jié)功能設(shè)計(jì)

為了減少對(duì)人力資源的使用量，針對(duì)每天天氣狀況的差異性，所以要提出自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中要充分認(rèn)識(shí)到各個(gè)傳感器功能設(shè)定。而想要實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，需要傳感器結(jié)合當(dāng)?shù)靥鞖鈱?shí)際情況提供更加精準(zhǔn)數(shù)據(jù)信息，所以要事先對(duì)傳感器性能、精度進(jìn)行檢查。如是否存在遮擋太陽(yáng)光的大片烏云、大風(fēng)天氣是否會(huì)影響光伏板角度等。風(fēng)速傳感器就是在風(fēng)力達(dá)到臨界值時(shí)，控制電機(jī)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)，而保障光伏板和風(fēng)向保持（相對(duì)）平行狀態(tài)，這樣可以避免風(fēng)力過(guò)大造成光伏板損壞，讓其所受到的風(fēng)力達(dá)到最小，待到風(fēng)力低于閾值時(shí)，即可自動(dòng)調(diào)整為與太陽(yáng)光相垂直的狀態(tài)。也可以設(shè)定信號(hào)采集時(shí)間，如每隔30min采集一次信息，如果在天黑，因?yàn)樘?yáng)光非常弱，無(wú)法收集太陽(yáng)光，或者大風(fēng)可能影響光電板安全，即可自動(dòng)停止工作，并自動(dòng)收回光伏板裝置。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，合理利用太陽(yáng)能資源可以降低傳統(tǒng)資源的依賴性，為節(jié)約地球不可再生能源提供相應(yīng)的支持。新時(shí)期下，太陽(yáng)能領(lǐng)域重點(diǎn)研究的方向就是如何提高光能收集率。本文提出了自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)當(dāng)中需要重點(diǎn)考慮機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)以及傳感器布置，通過(guò)融入多任務(wù)設(shè)計(jì)模式，如感應(yīng)光照、風(fēng)力等，優(yōu)化了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)功能，從而最大化發(fā)揮太陽(yáng)能光伏發(fā)電設(shè)備的積極作用。

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