太阳能跟踪系统设计方案

新能源专题太阳能跟踪系统设计王淼王保利焦翠坪景崇友（保定天威集团有限公司技术中心，河北保定071056）摘要为了更充分、高效地利用太阳能,现普遍采用跟踪太阳的方式是为最大限度地获得输出功率。本文介绍了太阳跟踪系统的控制原理、系统硬件组成和控制算法。在此基础上设计了一种跟踪精度高、结构简单、控制可靠的双轴太阳能跟踪系统，有效地提高了太阳能的利用率。并通过试验验证了此太阳能跟踪系统在晴朗的气候条件下，比固定式至少提高发电量25%。关键词：太阳能跟踪系统；时空控制；光强控制；跟踪传感器；太阳运行轨迹计算DesignofSolarTrackingSystemWangMiaoWangBaoliJiaoCuipingJingChongyou（R&DCenter,BaodingTianweiGroupCo.,Ltd.,Baoding,Hebei071056）AbstractInordertomorefullyandefficientuseofsolarenergy,iscommonlyusedtotrackthesun'strajectorytomaximizeoutputpower.Thisarticledescribesthesolartrackingsystemcontroltheory,thesystemhardwarecomponentsandcontrolalgorithms.Onthisbasisthedesignofatrackingandhighprecision,simplestructure,reliablecontrolofdual-axissolartrackingsystem,whichimprovestheutilizationofsolarenergy.Andthroughtestsofthissolartrackingsysteminthesunnyweatherconditions,thanfixedatleast25percentcapacities.Keywords：solartrackingsystem；timeandspacecontrol；lightintensitycontrol；solartrackingsensor；suntrajectorycalculation1引言来完成。随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污2太阳能跟踪控制方法染问题日益突出，太阳能这个清洁的可再生能源，常用的太阳能跟踪控制方法主要有以下三种：已受到许多国家的高度重视和利用。我国是一个太匀速控制方法、光强控制方法以及时空控制方法。阳能资源较为丰富的国家，且分布范围较广，因此（1）匀速控制方法充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。由于地球的自转速度是固定的，可以认为，早由太阳能电池板的特性可知，它的发电量与照上太阳从东方升起经正南方向向西运动并落山，太射到它上面的光照强度成正比，而接受太阳的直射阳在方位角上以15°/h匀速运动，24h移动一周。光，可以得到太阳的最大光照强度。试验证明，采高度角等于当地纬度作为一个极轴不变。其跟踪过用相同功率的太阳电池板，自动跟踪式光伏发电设程是将固定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角备要比固定式光伏发电设备提高发电量至少在25%速度15°/h的速度转动，即可达到跟踪太阳，保持以上，成本下降20％[1]。由于太阳的位置每时每刻太阳能电池板平面与太阳光线垂直的目的。该方法都在变化，若想在太阳能电池板上得到最大输出功控制简单，但安装调整困难，初始角度很难确定和率，就必须要太阳能电池板随时跟随太阳的运动轨调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差。迹运动，才能保证太阳光始终垂直照射到太阳能电（2）光强控制方法。池板上。为实现太阳光始终垂直照射到太阳能电池在高度角和方位角跟踪时分别利用两只光敏电板上这一目的，就需要用太阳光自动跟踪控制系统池作为太阳位置的敏感元件。4只光敏电池安装在一1002009年第8期个透光的玻璃试管中。如图1所示，每对光敏电池被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。当电池板对准太阳时，太阳光平行于隔板，两只光敏电池的感光量相等，输出电压相同[2]。当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只光敏电池上，使两只光敏电池的感光量不等，输出电压也不相等。根据输出电压的变化来进行太阳能跟踪控制。该方法的特点是测量精度高、电路简单、易于实现，但在多云和阴天环境下会出现无法跟踪的问题。图1光强控制方式示意图（3）时空控制方法太阳的运行轨迹是与时间、季节、当地经纬度等诸多复杂因素有关的。因此，可以将上述相关的数据预先输入到微处理器中通过程序查表并进行太阳方位角和高度角的计算，实现时间和空间上的同步，最终得出实际角度以实现精确的控制。该方法精度高，具有较好的适应性，但程序复杂，不易于实现[3]。3系统组成及工作原理3.1系统组成太阳跟踪控制系统（以下简称：控制系统）主要由太阳光跟踪传感器、风速传感器、光照度传感器、CPU主控制器、电机驱动单元和保护电路组成。它不仅控制太阳能光伏阵列跟随太阳运动，还具有在大风、阴天、夜间光源干扰等气候条件下的保护功能。同时具备与上位机通信的功能，便于设备的远程管理。如图2所示。PLC主控制器风速传感器保护电路电机驱动单元太阳光跟踪传感器光照度传感器图2系统组成示意图（1）太阳光跟踪传感器新能源专题太阳光跟踪传感器（以下简称：跟踪传感器）是检测光伏阵列是否对准太阳的基准。当太阳光垂直照射到跟踪传感器上时，跟踪传感器四个方位的输出信号全部为零，表示跟踪传感器已对准太阳。当太阳光偏离垂直照射跟踪传感器时，跟踪传感器能检测出当前太阳偏离跟踪传感器的方位，同时在跟踪传感器相应方位的输出端，会有信号输出。如图3所示。图3太阳光跟踪传感器示意图（2）风速传感器通过风速传感器对风速进行检测，传感器检测到信号以后，通过A/D将信号输出给主控制器，当风速达到或大于定值时，控制部分发出指令，通过接口电路驱动执行机构，调整光伏阵列到水平角度，从而保证光伏阵列单元的安全运行。（3）光照度传感器通过光强传感器对太阳光强进行检测，使系统可以在不同的天气变化和季节变化的情况下，采用不同的控制策略进行自动跟踪，提高太阳能的利用效率。当系统采集的实时环境光强和实时时间都小于设定的最小经济发电光强时，太阳能电池板恢复到原始位置，等待光强达到设定值时再次运行。（4）CPU控制单元CPU控制单元是整个控制系统的核心，控制策略问题至关重要。跟踪特性采用光线控制为主，时空控制为辅的控制策略，这种控制策略可以降低系统的自身功耗。充分考虑到系统在运行过程中，会遇到的各种外界因素的影响（如：大风、夜间光线干扰、阴雨、多云气候等），这些影响在程序中进行甄别，选择优化的控制方式，从而保证系统的跟踪精度，提高系统的可靠性和稳定性。同时CPU控制单元还担负着与上位机通信的功能。（5）电机驱动单元在控制单元发出跟踪信号后，通过电机驱动单元驱动不同类型的电机（如：交流电机、直流电机、步进电机等）使其转动，使电池板阵列重新垂直于2009年第8期新能源专题太阳光。（6）保护电路由于光伏阵列跟踪支架的方位角旋转角度为±110°，高度角旋转角度为10°～80°。为了保证跟踪支架的安全，在方位角和高度角的4个极限位置上，要设计保护电路。3.2工作原理系统第一次开机后先进行时间校正，通过手动调整当前正确时刻，并存储在时钟芯片中，作为基准时间。在晴天光线正常时，程序通过跟踪传感器判断太阳光与光伏电池阵列平面是否垂直，如果垂直控制单元不发出控制信号，不驱动电机转动，保持当前电池板的偏转角度；若不垂直则发出控制信号，驱动电机转动，再通过传动机构带动电池板转动，以消除角度偏差，重新使太阳光与电池板垂直，这样周而复始的工作，实现实时跟踪的目的。在阴天或多云光线不正常时，程序通过当前时间、季节、当地经纬度计算太阳的方位角和高度角，并通过位置传感器判定电池板阵列的当前位置，控制单元发出控制信号驱动电机转动，再通过传动机构带动电池板转动，使电池板跟随太阳的运行轨迹转动，达到跟踪太阳的目的。为了节电，当程序检测出光强达到一定值时系统才开始跟踪，低于某值时即停止跟踪，降低电机频繁工作造成的损耗。而在夜间则自动关闭电源，降低能耗。4太阳运行轨迹计算方法太阳运行轨迹其实就是计算在地球某一点上观看空中的太阳相对地球的位置。这时，太阳相对地球的位置是相对地面而言的，用高度角和方位角两个坐标表示。4.1太阳高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角（或观测点到太阳的连线与地面之间的夹角），其值在0°到90°之间变化，日出日落时为零，太阳在正天顶上为90°。正午时（指当地真太阳时的正午。不是北京时间的中午12点，也不是地方平时的12点，而是太阳中心正好在子午线上的时间，也即太阳方位角由负值变为正值的瞬间）太阳高度角是一天中太阳高度角的最大值（除极地部分地区外），夏季这个值较大，冬季较小，夏至时最大，冬至时最小。太阳高度角（h⊙）的计算公式为[4]：sinh⊙=sinφsinδ＋cosφcosδcosω（1）式中，φ为地理纬度；δ为太阳赤纬；ω为时角。ω（时角）：以当地真太阳时正午为零度，下午为正，上午为负，每小时15°。正午时刻（ω=0）太阳高度角的表达式：h⊙＝90°-φ+δ（太阳在天顶以南）h⊙＝90°+φ-δ（太阳在天顶以北）当计算出h⊙＞90°时，则取其补角。4.2太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角。方位角以正南方向为零，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正东北方时，方位为-135°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为±180。实际上太阳并不总是东升西落，只有在春秋分两天，太阳是从正东方升，正西方落。在北半球，从春分到秋分的夏半年中，太阳从东偏北的方向升（方位角为-90°到-180°之间），在西偏北的方向落（方位角为90°到180°之间）；而从秋分到下一年春分的冬半年中，太阳从东偏南的方向升（方位角为-90°到0°之间），在西偏南的方向落（方位角为0°到90°之间）。太阳方位角（A）的计算公式为[4]cosA=-sinδsecφ（2）式中，φ为地理纬度；δ为太阳赤纬。5试验结果该系统应用在天威集团有限公司40kW光伏并网示范工程中（见图4），并通过试验测试在太阳能发电中，相同条件下，采用自动跟踪式的发电设备要比固定式的发电设备效率提高情况。图4太阳能跟踪系统应用示意图5.1接线原理图（见图5）在12台跟踪式太阳能光伏阵列中选择两台进行试验，首先将1#电池板阵列的太阳能自动跟踪器1022009年第8期关闭，并通过手动调节将电池板阵列调整为面向正南、仰角45°的位置，使其固定不动；而2#电池板阵列的太阳能自动跟踪器起动，使其自动跟踪太阳的位置。在此状态下测量两块电池板阵列的电压、电流和功率，因两块电池板阵列并联接在直流母排上，所以电压值为同一值。图5太阳能跟踪系统试验接线原理图5.2结果分析从图6~7中可以看出在早晚时间段上跟踪式的电池板阵列比固定式的电池板阵列在很大程度上提高了输出功率；而在中午时分因跟踪与固定的电池板阵列位置相差不大，所以其输出功率也基本一致。通过一天的数据采集，计算后提高输出功率25.3%（试验时间12月18日）。图6直流电流图新能源专题图7直流功率图6结论本文设计的二维太阳跟踪系统可以精确的对太阳的方位和高度角进行实时自动跟踪，既确保了对跟踪精度的要求，同时具有结构简单、成本低、适用性强等特点。太阳跟踪控制系统研发成功后，已有12台产品应用到光伏发电系统中。经过3个多月的运行，系统运行可靠、稳定，并且12台产品的跟踪一致性好。参考文献[1]赵争鸣,刘建政,孙晓英等.太阳能光伏发电及其应用[M].北京:科学出版社,2005.[2]WilliamBStine,RoymondWHarrigan.“SolarEnergyFundamentalsandDesign”1985:59-64.[3]张鹏