太陽能電池板自動跟蹤裝置的研究進(jìn)展

摘 要：隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及資源消耗的日益加劇，新能源的開發(fā)和應(yīng)用成為當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢。太陽能作為綠色能源，具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，是一種具有潛力的新能源。受太陽能光照的影響，制約太陽能發(fā)電的最大瓶頸是太陽利用率低，太陽自動跟蹤系統(tǒng)是提高太陽能利用率卓有成效的方法之一，已經(jīng)成為重要的研究方向。文章綜述了近年來各種跟蹤方法的類型、原理、跟蹤裝置的機械結(jié)構(gòu)、控制方式及其優(yōu)缺點。

關(guān)鍵詞：自動跟蹤；太陽能電池；裝置

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及資源消耗的日益加劇，新能源的開發(fā)和應(yīng)用成為當(dāng)今世界發(fā)展的必然趨勢。太陽能作為綠色能源，具有無污染、無噪音、取之不盡、用之不竭等優(yōu)點，是一種具有潛力的新能源。光伏發(fā)電是當(dāng)前利用太陽能的主要方式之一，但能否經(jīng)濟(jì)高效地利用太陽能的關(guān)鍵在于太陽聚光和跟蹤水平的優(yōu)劣。由光伏陣列的伏安特性可知，當(dāng)日照強度增大時太陽能電池的輸出額定值也隨著增加，因此光照強度將會直接影響太陽能電池的輸出效率[3]，而當(dāng)陽光直射太陽能電池板時太陽能利用率最高。目前主要采用太陽能電池板固定朝南安裝的方式對太陽進(jìn)行采集，太陽光利用率低。據(jù)試驗表明，在太陽能發(fā)電中，相同條件下，對太陽能電池板自動跟蹤要比非跟蹤所獲能量高35%，成本下降25%[1、5]。

1 太陽能跟蹤裝置的類型

1.1 根據(jù)控制部分是否存在反饋量，可分為閉環(huán)控制、開環(huán)控制和混合式控制三種類型

1.1.1 開環(huán)控制：不存在反饋則為開環(huán)控制，又分為時鐘跟蹤（時角跟蹤）和視日運動軌跡跟蹤（程序跟蹤）。時鐘跟蹤是控制太陽能電池板以恒定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽，該轉(zhuǎn)速是由地球自轉(zhuǎn)的快慢決定的，大約24h一周，而太陽運行的時角是自東向西勻速變化的，因此這種跟蹤可以看成是對太陽時角進(jìn)行跟蹤，也可稱其為時角跟蹤[4]。這種跟蹤方式電路簡單，但是跟蹤精度低。視日運動軌跡跟蹤是按照太陽的實際運行軌跡先編程，再采用計算機程控步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，從而調(diào)整太陽能電池板的高度角和方位角跟蹤太陽。這種方法的優(yōu)點是不受天氣影響，可全天候跟蹤，但太陽的運行軌跡是隨著季節(jié)的變化而不斷變化的，且累積誤差無法消除，所以這種跟蹤方式也存在著跟蹤精度較低的問題。

1.1.2 閉環(huán)控制：是利用光電傳感器來測定太陽光入射光線是否與太陽能電池板垂直，若不垂直，則當(dāng)偏差超過一定的值時通過電機驅(qū)動機械部分轉(zhuǎn)動，減小偏差，直到偏差接近零為止，這樣不斷進(jìn)行，從而實現(xiàn)了對太陽高度角和方位角的全方位跟蹤，這種方法雖然使太陽能電池板的發(fā)電效率最高，但要檢測光線是否垂直于太陽能電池板是本控制的一個難點。

1.1.3 混合式控制：方式是將開環(huán)控制和閉環(huán)控制相結(jié)合，開環(huán)控制的優(yōu)點是不受天氣影響，但其存在自身無法消除的累積誤差，閉環(huán)控制則可以通過反饋來消除誤差，但是受天氣影響較大，甚至出現(xiàn)誤動作。所以一般在沒有云的情況下使用閉環(huán)控制跟蹤，當(dāng)有云擋住了太陽時，立即改變?yōu)殚_環(huán)控制，知道云散后重新變回閉環(huán)控制。混合控制控制控制信號最為準(zhǔn)確，且消除了開環(huán)控制和閉環(huán)控制單獨使用時各自存在的缺點。

1.2 根據(jù)跟蹤裝置的機械結(jié)構(gòu)中轉(zhuǎn)動調(diào)級部件所含轉(zhuǎn)動軸的個數(shù)，分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤

1.2.1 單軸跟蹤：即只是跟蹤太陽方位角，高度角固定或作人為的周期性調(diào)整。按轉(zhuǎn)軸的布置不同又分為東西軸向方式、南北軸向方式、偏離角軸向方式和傾斜角軸向方式。單軸跟蹤忽略了太陽高度角的變化，其跟蹤精度不高，但其機械結(jié)構(gòu)簡單，是當(dāng)前自動跟蹤裝置中一般用于對精度要求不高的場合。

1.2.2 雙軸跟蹤：即既跟蹤太陽方位角，又跟蹤太陽高度角[8]，有兩種跟蹤方式：高度角-方位角全自動跟蹤和極軸跟蹤，前者可對太陽方位角和高度角同時進(jìn)行跟蹤，實現(xiàn)二維跟蹤。其跟蹤精度較單軸跟蹤要高許多，但機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，不適合分布式小型太陽能裝置，且兩軸各需要一個電機分別驅(qū)動，耗能較多，太陽高度角和方位角的計算較為復(fù)雜。極軸跟蹤是通過極軸旋轉(zhuǎn)抵消地球自轉(zhuǎn)，以俯仰角調(diào)節(jié)抵消地球公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)太陽位置的完全跟蹤。若俯仰角采用周期性機械調(diào)節(jié)，則可以將二維跟蹤轉(zhuǎn)化為一維[6]。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，跟蹤精度高，其中太陽高度角和方位角可由當(dāng)?shù)鼐S度角、太陽赤緯角和時角確定[2]。

綜上所述，太陽能跟蹤裝置主要有閉環(huán)單軸跟蹤、閉環(huán)雙軸跟蹤、開環(huán)單軸跟蹤、開環(huán)雙軸跟蹤及混合式跟蹤。

2 跟蹤裝置的研究應(yīng)用進(jìn)展

2.1視日運動軌跡跟蹤

根據(jù)天文學(xué)中太陽運行規(guī)律的公式計算出一天內(nèi)某時刻太陽的高度角和方位角的理論值，并將其存入到單片機、PLC或者電腦軟件中，然后運行控制程序調(diào)整跟蹤裝置的高度角和方位角對太陽進(jìn)行跟蹤[7]。PLC成本較高，但是其具有強大的數(shù)據(jù)儲存和計算能力，可用來完成較復(fù)雜的運算，而單片機控制裝置相對而言具有較高的性價比，在目前應(yīng)用更為廣泛。雖然太陽高度角和方位角的計算較為復(fù)雜，但不需要太多的傳感器，因此，控制裝置的結(jié)構(gòu)很簡單，且具有較強的移植性，所以此方法一般用于對精度要求較高的場合。

王海鵬等[11]設(shè)計的一種基于單片機的太陽能自動跟蹤裝置，是根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度參數(shù)及時間信息計算出太陽赤緯角和時角，再結(jié)合維度、太陽赤緯角、時角計算出太陽高度角和方位角，并將所得數(shù)值送入單片機比較處理后，發(fā)出指令控制步進(jìn)電機帶動傳動機構(gòu)跟蹤太陽。該裝置分為顯示模塊、伺服模塊、控制模塊、日歷/時鐘模塊四個模塊。顯示模塊用來顯示經(jīng)緯度和時間信息，日歷/時鐘模塊可以向單片機定時提供日期時間信息，伺服模塊用于將控制信號放大控制兩個步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，控制模塊可對其它三個模塊進(jìn)行控制。

李明濱等[7]設(shè)計的一種單驅(qū)雙動型視日軌跡控制裝置，是根據(jù)視日運動軌跡跟蹤的原理，在對太陽方位角驅(qū)動控制的同時通過特殊凸輪機構(gòu)使高度角發(fā)生變化，實現(xiàn)“單驅(qū)雙動”太陽能跟蹤裝置功能。控制裝置的硬件包括AT89S52單片機、時鐘顯示模塊LCD1602、SJ-230MS型步進(jìn)電機驅(qū)動器、步進(jìn)電機及按鍵等組成。工作時時鐘芯片DS1302將時鐘信號送入單片機，單片機通過時鐘送入的數(shù)據(jù)計算出當(dāng)前時刻的太陽方位角位置，通過控制傳動裝置對實際角度進(jìn)行校正，從而達(dá)到跟蹤太陽的目的。該方法只采用一套驅(qū)動裝置，可避免多方計算所帶來的誤差累積，提高自動跟蹤裝置的可靠性，但機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

王 所寫的專利[12]中提出了一種斜單軸跟蹤裝置的控制裝置，包括了主控電路板、連接模塊和斜單軸跟蹤裝置的傳動裝置；主控制電路板通過連接模塊與斜單軸跟蹤裝置的傳動裝置相連。控制裝置是根據(jù)天文計算（根據(jù)斜單軸跟蹤裝置的經(jīng)緯度及海拔位置信息和GPS對時系統(tǒng)采集的當(dāng)前時間，計算得出最佳的跟蹤系統(tǒng)方位角）作為定位方式，且主電路板上裝有防雷模塊和空氣開關(guān)模塊，在陰雨天氣下該系統(tǒng)也能正常運行，這種系統(tǒng)的成本太高，推廣性不強。

李世民等[13]等設(shè)計的太陽能光伏發(fā)電組件的斜/平單軸跟蹤裝置，是由PLC控制驅(qū)動機構(gòu)、液壓推桿、液壓連桿、擺動桿、支撐桿、光伏支架以及托架組成，控制部分采用微處理芯片作為可編程控制系統(tǒng)，根據(jù)安裝的經(jīng)緯度計算出太陽運行軌跡，通過驅(qū)動電機、液壓推動桿、推動連桿和擺動桿作用于光伏支架，從而達(dá)到跟蹤太陽的目的。該系統(tǒng)維護(hù)方便，且不易受天氣影響而產(chǎn)生誤動作，但結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，且成本較高。

2.2 光電跟蹤

采用光強控制法，是采用光線傳感器檢測太陽的位置。當(dāng)太陽光照射到傳感器上時，把太陽能電池板和太陽位置偏差給出的傳感信號經(jīng)放大后送入控制器，由控制器控制步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動進(jìn)而帶動跟蹤裝置隨著太陽轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到跟蹤太陽的目的。由于該方法是由光敏傳感器采集跟蹤信息，傳感器易受外界環(huán)境因素的影響，在多云和陰雨天氣跟蹤精度低甚至出現(xiàn)誤動作，選擇高精度的傳感器又會增加成本。

張建新[14]所設(shè)計的太陽方位自動跟蹤系統(tǒng)是采用三個光敏電阻檢測光線的變化來控制一個電機，系統(tǒng)只跟蹤東西方向，南北方位固定為60°。三個光敏電阻中一個用于判斷白天和黑夜，其它兩個用于檢測聚光器與太陽位置的偏差，且前一個的優(yōu)先級高于后兩個。檢測聚光器與太陽位置的光敏電阻分別安裝在電池板下方的東邊和西邊，當(dāng)太陽正對電池板時兩個光敏電阻同時被完全遮住，由光敏電阻產(chǎn)生的壓差為零，單片機控制電機不轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽偏離一定的角度時，兩個光敏電阻受光不均勻，就會產(chǎn)生一個電壓差，經(jīng)單片機比較后發(fā)出指令控制電機轉(zhuǎn)動帶動跟蹤裝置跟蹤太陽光。

楊克立等人，趙建根等人提出的一種五象限光電檢測垂直雙軸結(jié)構(gòu)的新型太陽能跟蹤系統(tǒng)，將太陽能電池板分為如下圖所示的五個象限，其中2與4，1與3均對稱放置，面積相等，且都和5象限保持相同的微小夾角，當(dāng)太陽光垂直照射在5象限時其他四個象限產(chǎn)生相等的電壓信號，當(dāng)太陽光線與5象限不垂直時，在其它四個象限就會產(chǎn)生電壓差，該信號被送入控制系統(tǒng)的單片機處理后，由2、4象限電池板的信號控制方位角電動機轉(zhuǎn)動，1、3象限電池板的信號控制高度角的電動機轉(zhuǎn)動，直到2、4象限，1、3象限產(chǎn)生相等的電壓信號時電動機停止轉(zhuǎn)動。

圖1 五象限電池板示意圖 圖2 光敏電阻裝置示意

此外，李釗明申請的專利“太陽能智能跟蹤裝置”中所描述的方法和五象限法在與那里上基本相同，只是在五個象限分別安裝了光敏電阻用于檢測光強。

張鵬等人提出的一種太陽能自動跟蹤裝置，該裝置是將三個完全相同的光敏電阻按圖2所示放置在同一個平面上，它們之間用遮光板隔開，當(dāng)太陽垂直照射時三個光敏電阻所產(chǎn)生的電壓差為零，此時控制電機不轉(zhuǎn)動，當(dāng)太陽光線與電池板不垂直時，三個光敏電阻所產(chǎn)生的電壓不能同時相等，該電壓信號經(jīng)單片機比較處理后，控制電機轉(zhuǎn)動，通過傳動裝置帶動跟蹤裝置轉(zhuǎn)動，從而達(dá)到跟蹤太陽的目的。

徐劍設(shè)計的一種太陽能電站自動跟蹤式控制系統(tǒng)，其原理圖如圖3所示，利用光電池片作為感光元件，光傳感器包括水平傳感器、俯仰傳感器、光強傳感器。相對位置如圖4所示，

圖4 光強傳感器圖 5 傳感器安裝示意圖

圖4中1、2兩個受光面各貼一個硅電池片，用于接收光線，A為遮光板，圖4受光面1貼一個硅電池片，接受太陽光線用于檢測光的強度。當(dāng)光強傳感器的輸出電壓超出設(shè)定值時，控制器啟動光控程序，將水平傳感器和俯仰傳感器輸出的電信號送入PIC18F462

0單片機進(jìn)行比較處理后控制電機轉(zhuǎn)動。三種傳感器的相對位置如圖5所示。

2.3 混合式跟蹤

將開環(huán)控制和閉環(huán)控制結(jié)合使用，開環(huán)控制跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)點是控制簡單、不受天氣影響、可靠性強。但在跟蹤過程中會產(chǎn)生無法消除的誤差。閉環(huán)控制跟蹤系統(tǒng)由于存在反饋，所以不會產(chǎn)生累積誤差，但其易受天氣及周圍環(huán)境的影響，多云或下雨天甚至?xí)霈F(xiàn)誤動作，跟蹤精度較低，混合式跟蹤方式就是要結(jié)合兩者的優(yōu)點，避免兩者的缺點，在陰雨天采用開環(huán)控制跟蹤，有太陽時用閉環(huán)跟蹤。

趙建釗等人設(shè)計的智能型太陽能跟蹤系統(tǒng)，是以32位嵌入式微控制器LPC2290構(gòu)件平臺，采用程控跟蹤為主、光電跟蹤為輔的跟蹤方式。跟蹤裝置主要是由微處理器控制單元、光電檢測單元、液晶顯示模塊、存儲單元和鍵盤等組成。

馬正華等設(shè)計的一種高精度雙軸太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，以單片機STC12C5206AD為控制核心，時鐘控制粗條定位后再利用光電跟蹤進(jìn)行精確跟蹤。該設(shè)計主要是由MCU控制電路、光電轉(zhuǎn)換電路、實時時鐘電路、電機驅(qū)動電路及電源電路等組成。這種控制方式在陰天和夜晚系統(tǒng)不啟動，控制方式簡單、精度高、功耗低。

Rubio等設(shè)計的一種將程序跟蹤和光電跟蹤結(jié)合的混合式跟蹤，在光強充足的條件下一般采用混合式跟蹤，在陰雨天氣，光強較弱，停止跟蹤，當(dāng)光線重新達(dá)到要求值時傳感器發(fā)出信號繼續(xù)跟蹤，該方法可有效地減少電能的消耗。

Roth等設(shè)計的一種混合雙軸跟蹤，是通過PIC16F877處理器計算太陽的高度角和方位角，對太陽進(jìn)行實時跟蹤，還可通過電腦界面修改跟蹤控制程序。由位置傳感器檢測太陽的位置，光強傳感器檢測光線強度，并以此確定開始跟蹤和結(jié)束跟蹤。

3 結(jié)束語

目前制約太陽能發(fā)電的最大瓶頸是太陽利用率低，雖然通過對太陽自動跟蹤在很大程度上提高了太陽能的利用率，但各種跟蹤方式均存在一定的適用性和局限性。所以太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)還需要更進(jìn)一步的完善，還具有廣闊的研究前景和發(fā)展空間。

由于光伏電池的輸出特性是非線性的，易受周圍環(huán)境因素的影響，使得系統(tǒng)的跟蹤精度很難提高，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，但隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，太陽能自動跟蹤技術(shù)的機構(gòu)簡化和跟蹤精度的提高將成為必然的發(fā)展趨勢。

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作者簡介：閆秋娟（1991-），女，甘肅秦安人，本科生。

*通訊作者：蔣猛（1964-），男，四川岳池人，副教授，從事機電一體化控制研究。