太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

莊建銓

（汕頭大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬腫瘤醫(yī)院，廣東汕頭 515000）

0 引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，以及人口的不斷增多，人類對(duì)能源的需求日益增加，年增長(zhǎng)率達(dá)到了5%～6%。而傳統(tǒng)的化石能源都是不可再生能源，正在日趨枯竭，所以整個(gè)世界正面臨著巨大的能源危機(jī)；此外，煤炭、石油和天然氣等常規(guī)能源在使用過(guò)程中會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境（如，溫室效應(yīng)、酸雨等），嚴(yán)重影響了人類的生產(chǎn)生活。研究、開發(fā)與利用既清潔又可再生的新能源，已越來(lái)越得到各國(guó)的重視。

新能源一般指在新技術(shù)基礎(chǔ)上加以開發(fā)利用的可再生能源（包含了風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮?、波浪能和潮汐能等）。而太?yáng)能以其廣泛性、持久性等眾多的優(yōu)點(diǎn)脫穎而出，被世界公認(rèn)為最有發(fā)展前景的新能源之一［1-5］。太陽(yáng)能板外景如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)能板外景

太陽(yáng)光可以照射到地球的每個(gè)地方，所以太陽(yáng)能的分布范圍相當(dāng)廣泛。太陽(yáng)能的儲(chǔ)量也是近乎無(wú)窮的，地球表面每年接收的太陽(yáng)輻射能約相當(dāng)于130萬(wàn)億噸煤，是當(dāng)今世界上可以開發(fā)利用的最大能源［6-8］。另外，按照太陽(yáng)產(chǎn)生的核能速率來(lái)進(jìn)行估算，氫的貯量足以維持上百億年之久，然而地球的壽命也只是約為幾十億年，從此意義上來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)的能量是用之不竭的。同時(shí)，太陽(yáng)能的利用是安全可靠、清潔干凈的，且不產(chǎn)生污染物。

我國(guó)地大物博，太陽(yáng)能資源豐富。十一五以來(lái)，我國(guó)根據(jù)能源發(fā)展現(xiàn)狀以及和諧環(huán)境發(fā)展中出現(xiàn)的問(wèn)題，已經(jīng)開展了眾多舉國(guó)政策，來(lái)鼓勵(lì)幫助各大中型企業(yè)開發(fā)利用環(huán)保、節(jié)能、循環(huán)、綠色新能源［9-12］。在有關(guān)政策的大力支持下，2021年，我國(guó)新增光伏發(fā)電并網(wǎng)裝機(jī)容量約5 300萬(wàn)kW，已連續(xù)9年居世界首位。今后太陽(yáng)能的開發(fā)和利用，必是我國(guó)能源發(fā)展的重要方向之一。

盡管太陽(yáng)能有著這么多的優(yōu)點(diǎn)，然而在其有效利用上仍然存在著許多不足。

（1）不穩(wěn)定性：由于受到地理緯度、季節(jié)、晝夜、海拔高度等許多自然條件的限制，以及陰晴、云雨等隨機(jī)因素的影響，所以，到達(dá)某一地面的太陽(yáng)輻射度是間斷的，同時(shí)也非常不穩(wěn)定，這給該能源的大規(guī)模應(yīng)用帶來(lái)了難度。為了穩(wěn)定地利用太陽(yáng)能，必須解決蓄能的問(wèn)題，這也是制約太陽(yáng)能利用的問(wèn)題之一。

（2）分散性：能流密度很低。比如，在北回歸線附近，夏季天氣晴朗時(shí)，正午太陽(yáng)輻射的輻照度是最大的，在垂直于太陽(yáng)光方向1 m2面積地面上接收到的太陽(yáng)能平均有約1 000 W；但若按全年日夜平均，則只有約200 W。如果再考慮到冬季的輻射強(qiáng)度為夏季的約一半，陰天一般只有約晴天1／5等，算得的能流密度是很低的［13］。

（3）經(jīng)濟(jì)性：因?yàn)樘?yáng)能利用裝置成本較高、效率偏低等問(wèn)題，其經(jīng)濟(jì)性還不能跟常規(guī)能源競(jìng)爭(zhēng)［5］。

可見(jiàn)，為了科學(xué)合理地發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，提高太陽(yáng)能發(fā)電效率是十分重要的。而太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)就是能有效提高太陽(yáng)能利用率的方法之一。太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)最大限度地獲得輸出功率。通過(guò)跟蹤太陽(yáng)光直射方向，系統(tǒng)在不同時(shí)間、地點(diǎn)能夠自動(dòng)控制太陽(yáng)能電池板的方向、角度，使電池板接收到盡可能多的太陽(yáng)輻射，進(jìn)而提高輸出功率。由相關(guān)理論分析可知，通過(guò)實(shí)施此方法，可有效提升太陽(yáng)能電池的發(fā)電效率達(dá)20%以上。

1 控制系統(tǒng)原理

國(guó)內(nèi)外目前的太陽(yáng)能跟蹤裝置，根據(jù)它的工作原理可以大致分為以下兩大類：光電跟蹤法——基于能量的跟蹤方法；運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法——太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤法。本文將詳細(xì)分析“運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法”，并用此分析法來(lái)設(shè)計(jì)跟蹤控制系統(tǒng)。

1.1 光電跟蹤法

光電跟蹤法是應(yīng)用光敏元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)位置的定位、跟蹤。當(dāng)太陽(yáng)光板傾斜射入集熱板時(shí)，集熱器板上的光敏元件會(huì)因太陽(yáng)光的斜射角度不同反饋不同的信號(hào)偏差，利用此偏差值來(lái)調(diào)整集熱器板，直到偏差為零。光敏元件雖然靈敏度高，但受天氣影響較大，導(dǎo)致陰雨天系統(tǒng)跟蹤太陽(yáng)的效果較差，還可能引起機(jī)械傳動(dòng)裝置的誤動(dòng)作［8］。

1.2 運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法

運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤法是通過(guò)太陽(yáng)位置的變化規(guī)律來(lái)建模，繼而制定跟蹤方案，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置來(lái)調(diào)整太陽(yáng)能電池板的方向、角度，使板面與陽(yáng)光直射方向相垂直（即，提高太陽(yáng)輻射度），提高光能采集率，進(jìn)而提高輸出功率［14-18］。

太陽(yáng)方位模型如圖2所示，對(duì)其分析如下。

圖2 太陽(yáng)方位模型

太陽(yáng)的位置，可由太陽(yáng)高度角αs、太陽(yáng)方位角γs來(lái)確定。αs為太陽(yáng)俯仰角（0°≤αs≤90°），即太陽(yáng)光線與地表水平面之間的夾角；γs為太陽(yáng)光在地面上的投影線與南北方向線的之間夾角。高度角αs、方位角γs可由天文公式計(jì)算得出：

式中：φ為當(dāng)?shù)氐乩砭暥冉牵捎蒅PS等精密導(dǎo)航儀獲得；δ為太陽(yáng)的赤緯角，即太陽(yáng)光線與地球赤道面交角，δ不是固定值，其值隨季節(jié)變化而改變，春分時(shí)δ＝0°，夏至?xí)rδ＝23.5°，秋分時(shí)δ＝0°，冬至?xí)rδ＝-23.5°；n為一年中的日期號(hào)，如設(shè)1月1日這一天n＝1，之后每隔1天就加1；ω為時(shí)角，由當(dāng)?shù)貢r(shí)間確定。

日常生活時(shí)間采用平均太陽(yáng)時(shí)t（北京時(shí)間）。t0則為真太陽(yáng)時(shí)的時(shí)差，通過(guò)下式計(jì)算：

σ是當(dāng)?shù)氐乩斫?jīng)度角。如，中國(guó)汕頭的經(jīng)度為117°。e為時(shí)差t0，可由下式得出：

日出和日落時(shí)，太陽(yáng)的高度角αs＝0°；由式（1）可以求出太陽(yáng)時(shí)角ω，計(jì)算得出的ω正值是上午的日出時(shí)角，負(fù)值是下午的日落時(shí)角。計(jì)算式（4）的t求出日出時(shí)間t1和日落時(shí)間t2。

由式（1）～（7）可計(jì)算出某地區(qū)的太陽(yáng)在不同時(shí)間的實(shí)際位置［19］（即算得αs、γs、δ各值）。

2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主體機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，由太陽(yáng)能電池板、底座、連接桿、減速電機(jī)1、蝸桿1、齒輪1、減速電機(jī)2、蝸桿2、齒輪2組成。

圖3 機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)示意圖

通過(guò)減速電機(jī)1的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿1同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)齒輪1轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板高度角αs的調(diào)整；同理，通過(guò)減速電機(jī)2的轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)蝸桿2同步轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)齒輪2轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板方向角γs的調(diào)整。

在PLC程序中用前述的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤跟蹤法，算出太陽(yáng)高度角αs、方位角γs后，結(jié)合齒輪比，PLC就能通過(guò)運(yùn)動(dòng)模塊控制伺服放大器來(lái)驅(qū)動(dòng)減速電機(jī)（減速電機(jī)采用伺服型電機(jī)）轉(zhuǎn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)對(duì)電池板的高度角、方位角的調(diào)整，使電池板正對(duì)太陽(yáng)，實(shí)現(xiàn)最大的光能輻射采集。

3 系統(tǒng)電氣控制

控制系統(tǒng)采用三菱Q系列PLC控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。該P(yáng)LC具有的功能：（1）強(qiáng)大的運(yùn)算指令功能，且能計(jì)算復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算，可滿足太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤的天文學(xué)公式的計(jì)算；（2）通過(guò)以太網(wǎng)模塊鏈接上位機(jī)和觸摸屏，接收系統(tǒng)所在的地理坐標(biāo)、實(shí)時(shí)時(shí)間等信息；（3）PLC中的QD75伺服運(yùn)動(dòng)模塊能控制兩臺(tái)伺服電機(jī)精確轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)控制電池板調(diào)整高度角、方位角［20-23］。

圖4 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

結(jié)合上文的太陽(yáng)方位計(jì)算公式，編寫PLC程序，如圖5所示。當(dāng)上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)傳遞當(dāng)?shù)氐膶?shí)時(shí)時(shí)間、經(jīng)緯度信息給PLC，PLC就能計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置，進(jìn)而控制QD75模塊輸出準(zhǔn)確的脈沖數(shù)給伺服放大器來(lái)準(zhǔn)確運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)通過(guò)齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)就能精確調(diào)整電池板的高度角、方位角，來(lái)提高電池板的太陽(yáng)輻射采集率，提高輸出功率。

圖5 程序控制流程

4 應(yīng)用效果分析

選取性能參數(shù)相同的兩塊太陽(yáng)能電池板進(jìn)行為期1周的對(duì)照試驗(yàn)：太陽(yáng)能電池板1安裝在太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)上（圖3），太陽(yáng)能電池板2按正午時(shí)電池板接受到太陽(yáng)輻射最大的角度固定安裝。每日實(shí)驗(yàn)從早上6點(diǎn)開始到下午6點(diǎn)結(jié)束，每隔1 h對(duì)兩塊電池板的輸出功率進(jìn)行采樣記錄，并將一周的實(shí)驗(yàn)中每天相同時(shí)刻的輸出功率記錄數(shù)據(jù)求平均值，將記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行描點(diǎn)繪圖，得到圖6所示的輸出功率分時(shí)數(shù)據(jù)圖。由實(shí)驗(yàn)可知，（電池板1的每1 h輸出功率記錄值的總和）／（電池板2的每1 h輸出功率記錄值的總和）＞120%，即電池板1綜合輸出功率是電池板2綜合輸出功率的1.2倍以上。所以，太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)能有效提高電池板的光伏采集率，進(jìn)而提高輸出功率。

圖6 電池板輸出功率分時(shí)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)天文學(xué)的知識(shí)的運(yùn)用（球面天文學(xué)和立體幾何學(xué)原理），并導(dǎo)入當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度、時(shí)間信息，來(lái)推導(dǎo)太陽(yáng)的位置的函數(shù)關(guān)系式，計(jì)算得出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置。并設(shè)計(jì)了太陽(yáng)能跟蹤控制系統(tǒng)，用PLC結(jié)合所得算法，在軟件中計(jì)算得出太陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)傳動(dòng)來(lái)跟蹤太陽(yáng)。使該控制系統(tǒng)能在不同時(shí)間、地點(diǎn)自動(dòng)控制光伏電池板的方向、角度，來(lái)接收到更多的太陽(yáng)輻射，進(jìn)而提高輸出功率。

本文雖然實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的控制要求，但是由于時(shí)間和能力水平的限制，還存在不少需要改進(jìn)和完善的地方：（1）建模所得的太陽(yáng)位置數(shù)據(jù)跟具體實(shí)際仍有一定偏差，需與具體的數(shù)據(jù)對(duì)比，引入偏差分量來(lái)得到更準(zhǔn)確的太陽(yáng)位置，從而更好地完成跟蹤；（2）控制系統(tǒng)常年放置在室外，通常室外環(huán)境較為惡劣，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還需引入風(fēng)力保護(hù)措施（加裝風(fēng)力風(fēng)向傳感器分析采風(fēng)結(jié)構(gòu)受力模型，來(lái)設(shè)計(jì)風(fēng)力保護(hù)措施）。