光伏發電中跟蹤操作機制的探究范文
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太陽能光伏跟蹤系統的分類
1)固定式跟蹤系統:固定安裝系統直接將太陽能伏電池組件朝向低緯度地區放置(與地面成一定角度)，以串并聯的方式組成太陽能光伏陣列從而達到收集太陽能的目的。固定安裝系統的組件陣列均為固定放置，并不能實時保證太陽光垂直入射到光伏組件上，所以固定的平板電池組件并未完全發揮其潛力。
2)單軸跟蹤系統:單軸跟蹤包括水平單軸跟蹤和傾斜度角斜單軸跟蹤，單軸跟蹤只能在一個方向(高度角或者方位角)跟蹤太陽的運動軌跡，光伏陣列只能圍繞一個旋轉軸旋轉。一般情況下，單軸跟蹤系統的入射角只能減小而不能實現為零，顯然跟蹤效果較差。
3)雙軸跟蹤系統:雙軸跟蹤主要分為極軸式跟蹤和高度角、方位角式跟蹤。本文中所提到的雙軸跟蹤是指高度角、方位角式跟蹤。光伏陣列繞兩個旋轉軸轉動，第一個旋轉軸與水平面垂直，第二個旋轉軸與水平面平行。此跟蹤方法實現水平方位角和垂直高度角上同時跟蹤。雙軸跟蹤系統在理論上可完全跟蹤太陽的運行軌跡以實現入射角為零，所以跟蹤精度較高。而在一般情況下，采用單軸跟蹤更為經濟。
在光伏跟蹤系統中，常用跟蹤裝置的控制系統，按照控制量和被控制量之間是否存在著反饋，可以劃分為三類:閉環、開環、混合控制方式，若被控制量對控制量產生影響的，即存在反饋的稱為閉環控制，若被控制量對控制量不產生影響，即不存在反饋的稱為開環控制，混和控制就是采用開環和閉環相結合的方式。本文采用的前饋加閉環控制的跟蹤方式，也屬于混合控制，第一級采用開環控制方式，第二級采用閉環控制方式。
1)開環控制方式，又分為時鐘跟蹤和程序跟蹤方式。其中時鐘跟蹤方式也可以稱為時角跟蹤，是以一個預定的轉速旋轉跟蹤，這種跟蹤可以看作對太陽的時角進行跟蹤。程序跟蹤方式是根據當地經緯度、氣象等信息計算每天不同時刻下太陽的位置，根據光伏跟蹤裝置的幾何位置，計算出當前時刻下，跟蹤裝置隨著太陽運動需要轉動的角度，最后命令驅動機構驅動電動機轉動實現對太陽高度角和方位角的跟蹤。
2)閉環控制方式，主要通過反饋來消除誤差。采用感光元件測定入射太陽光線和太陽能光伏板法線之間的偏差，通過判斷偏差是否超過一個閾值來控制步進電動機轉動，減小偏差，直到太陽光線與光伏板法線重新平行，實現對太陽高度角和方位角的跟蹤。
3)混合控制方式，結合了前兩者的優點且克服了前兩者的缺點。在晴天的時候采用使用光傳感器跟蹤，但當烏云遮住太陽的時候，控制系統采用開環控制方式，繼續跟蹤，直到烏云過去后，再重新使用光傳感器跟蹤。交替使用閉環和開環的混合控制系統，能夠得到最佳的控制效果。這個控制方案減小了開環控制引起的累積誤差，也消除了閉環控制因跟蹤器的動態響應所引起的不穩定。
太陽能自動跟蹤控制系統的設計
目前，太陽能自動跟蹤系統的方法有很多，主要分為兩大類，主動式控制器和被動式控制器。其中主動控制器包括控放式和時鐘式;被動控制器包括壓差式和比較控制式。通過研究表明這些太陽跟蹤系統都存在著不少缺點，其中成本相對較低、精度相對較高的光敏電阻比較式太陽跟蹤器的控制方式比較好。
1前饋加閉環的跟蹤控制方案
本文采用前饋加閉環控制的跟蹤方案，將太陽軌跡的計算結合到了太陽能光伏板的跟蹤系統中。首先從理論上，通過太陽軌跡的計算對太陽能光伏板進行粗調，其次從實際出發，考慮到光伏板跟蹤裝置在安裝、生產和加工過程中存在誤差，進一步使用光電跟蹤對其進行細調。此方案不僅提高了太陽能光伏板的跟蹤精度，也避免單獨使用光電跟蹤方式的大范圍搜索，實現了對光伏板的智能控制。當太陽能光伏板的法線與太陽輻射能平行的時候，理論值為零，則保持光伏板當前的狀態，不需要轉動;當太陽能光伏板與太陽輻射能有夾角時，利用太陽軌跡的計算得到光伏板需要轉動的角度，控制電動機從而轉動光伏板。具體跟蹤控制方案如下圖1所示。
2光電傳感器的布置
首先，光電傳感器安放在太陽能光伏板上，由4個光敏電阻及1個圓筒外殼組成。對于圓筒外殼，其高度設計為圓筒高度的一半。在光電傳感器的東西南北四個方向對稱安裝著4個相同的光敏電阻A，B，C，D，四個光敏電阻的參數一致。其中光敏電阻A與光敏電阻C用來檢測太陽南北方向的偏轉角度，即高度角;光敏電阻B和光敏電阻D用來檢測太陽東西方向運動的偏轉角度，即方位角。光電傳感器的工作原理:采用光元件作為轉換元件，將被測非電量通過光電量的變化轉化成電量。對于高度角而言，當太陽光與太陽光伏板相垂直時，光敏電阻A和光敏電阻C之間沒有差值信號輸出，光照度相同，運算放大器輸出為零。當不垂直時，光敏電阻A和光敏電阻C產生的光電流不一樣，運算放大器輸出差值信號，將該差值信號送入控制單元，控制電動機的轉動從而調整太陽能光伏板，直到與太陽光垂直為止。當南北光敏電阻的差值小于固定值時垂直電動機停止轉動。方位角的跟蹤原理和高度角的跟蹤原理類似。具體的運行原理如圖2所示。
3光電跟蹤系統的工作原理
太陽能光電跟蹤系統是通過對分布在太陽能光伏板上的兩組傳感器所產生的電流值與固定值進行對比，將比較的差值送入嵌入式微處理器分析和計算，利用其輸出信號對步進電動機進行控制，使得太陽能光伏板能夠接收更多的太陽輻射能，實現對太陽輻射能的充分吸收和利用。整個方案的原理如圖3所示。首先，采用光電傳感器對接收到的太陽輻射能實現光信號和電信號之間的轉換，其次，經過運算放大器對太陽光垂直或者偏離照射到光電傳感器時所產生的偏差信號進行放大，采用A/D轉換將模擬信號變成數字信號，送入ARM芯片，判斷方位角和高度角的變化，通過步進電動機的正、反脈沖來控制其轉向。
為了確定步進電動機的正確轉向，需將比較的偏差信號經D/A轉換后的值與0對比，當等于0時，則說明此時ARM芯片不發出控制信號，步進電動機不轉，保持太陽能光伏板的角度;當大于或者小于0時，則說明此時ARM需要進一步判斷是方向角還是高度角出現的偏差，從而才能發出是方向角驅動控制信號還是高度角驅動控制信號，驅動芯片工作，控制步進電動機轉動，以消除角度偏差，重新使太陽光線與太陽光伏板垂直，實現實時跟蹤的目的。為了節電，當程序查詢出光強達到一定值時系統才開始跟蹤，低于另一個值時即停止跟蹤，消除了振蕩現象;在云或陰雨天要控制電動機間歇工作，而在夜間則自動關閉電源，達到節電的目的。光電跟蹤系統軟件設計的主程序圖如圖4所示。主程序主要完成各種初始化的設置，利用不同的傳感器得出天氣的狀況，例如，風大還是風小，是晴天還是陰天，天亮還是天黑等結論。
采用風速傳感器的作用是當風力到達一定的強度的時候，通過控制器驅使電動機轉動，使得太陽能光伏板達到水平位置，此時該陣列的受力達到最小。當得出在晴天時，采用光感跟蹤方式;當得出在其他狀況時，如風大或者天黑時，光伏板將不動作，控制系統停止工作。設定系統的信號采集時間間隔為半個小時，通過調用延時子程序來實現，根據需要進行調整，保證收集效率。設定采樣時間的目的是延長機械裝置的壽命，另外，在一定時間內，如果裝置的能耗多于采用了光電跟蹤控制后所提高的那部分能耗，那么采用此控制方式就顯得沒有實際意義。
結語
太陽的跟蹤方法很多，需要根據實際情況來選擇跟蹤方式。本文主要設計了前饋加閉環控制的跟蹤方式，綜合考慮了光電傳感器和機械方面的知識，設計了太陽能自動跟蹤系統，該系統主要有以下幾個創新點:
1)本設計將太陽軌跡的計算結合到了光伏跟蹤系統中，實現了對光伏板的智能控制。通過前饋加閉環控制的跟蹤方案，不僅消除了安裝過程中存在的誤差，也克服了單獨采用光電跟蹤方式在大范圍內的搜索，有效地提高了光伏跟蹤的精度。
2)本設計克服了固定安裝方式和單軸跟蹤方式的缺點，采用了雙軸自動跟蹤系統，克服了不能隨時保持太陽光線與光伏板垂直的缺點。雙軸自動跟蹤系統不僅可以調整光伏板的高度角而且可以調整光伏板的方位角。跟蹤精度明顯相比固定安裝方式和單軸跟蹤方式要高，充分地利用了太陽能。
3)本設計采用了步進電動機控制，將電脈沖信號轉變成角位移，使得系統能夠更準確、高效地調整太陽能光伏板的高度角和方位角，累積誤差小，跟蹤精度高。
作者：丁婷婷祝雪妹單位：南京師范大學電氣與自動化工程學院
