太陽雙軸自動跟蹤系統的設計

秦皇島技師學院 ■ 宋雅茹 高振東

0 引言

太陽自動跟蹤器主要用于太陽能光伏發電領域，它控制光伏組件陣列自動跟蹤太陽運行，獲得光伏發電所需最大的太陽日照量，提高光伏組件陣列的發電量。這種自動跟蹤系統的設計主要采用自動控制、機械和電子等相關技術。

從地面上看，太陽在一天之內從東到西環繞地球，只有在正午時才在南北向的水平面內，太陽光強在正午時達到最高，隨著季節的不同，太陽光強的變化情況有所不同。由于氣候的影響，如云霧遮住太陽，都會影響太陽的光強。太陽能光強的變化直接影響太陽能發電的發電量。因此，太陽能發電采用自動跟蹤器使太陽電池方陣跟蹤太陽運行，隨時做出相應的反應，使太陽光垂直照射在太陽電池板的受光面上。

自動跟蹤系統分單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸是指東西方向跟蹤太陽運行，即一天內根據太陽方位角的不同來調節，采用單軸旋轉；雙軸跟蹤是在單軸跟蹤的基礎上增加垂直方向跟蹤太陽運行，即根據太陽高度角的變化來調節，有兩個旋轉軸。圖1給出了受光面不跟蹤、單軸東西跟蹤及雙軸跟蹤時年日照量的對比變化，并給出了年日照量與緯度的關系和受光面不跟蹤時太陽能方陣與地面最佳傾角。

由圖1可知，年總日照量最大值與緯度略有關系，即緯度增加而減小，在所示緯度范圍內，這種變化較小。在高緯度范圍內，日照量將顯著減小。使用跟蹤方法可大輻增加日照量。根據硅太陽電池的光電特性，當太陽電池受照射時，太陽電池的工作電壓隨光強增加而呈指數上升，弱光時增加很快，強光下趨于飽和；電流隨光強增加而增加，強光時線性很好。所以提高入射光強，可提高太陽電池的輸出功率。

圖1 不同跟蹤情況下所得日照量與緯度關系

1 太陽自動跟蹤系統的設計

太陽自動跟蹤控制系統采用雙軸自動跟蹤。如圖2所示，它是一個閉環控制系統，由光電傳感器、控制電路、電機和機械傳動4部分組成。光電傳感器自動檢測太陽光入射角及光強的變化，通過控制電路、電機和機械傳動實現太陽電池方陣跟蹤太陽間斷運行的跟蹤控制要求。

圖2 自動跟蹤系統方框圖

2 太陽自動跟蹤系統部件及工作原理介紹

2.1光電傳感器

光電傳感器是把光伏組件方陣法線偏離太陽光線的角度信號轉換為電信號的裝置。它是跟蹤系統的重要部件，它的結構決定跟蹤的精度。跟蹤精度是控制器的一個重要技術指標，用太陽與方陣偏轉的角度來衡量。精度高、跟蹤準確，但這就意味著電動機啟動頻繁，電耗增加，影響方陣電量的輸出，同時也影響控制器的壽命。跟蹤的精度高，不僅增加了電耗和復雜性，而且往往受限于機械結構和加工的影響，設計精度難以實現。根據方陣具體結構的要求，跟蹤精度控制約在18?較為適宜。

如圖3所示，本系統所使用的光電傳感器由4個光電二極管、矩形和管型遮光板構成。帶剖面線的圓圈部分為光電二極管，左右為東西向光電二極管，上下為南北向光電二極管。南北向光電二極管其中一個位于圓管底部中間位置，圓管起到遮光板的作用。

圖3 光電傳感器結構示意圖

2.2 機械傳動與支撐結構

如圖4所示，光伏發電系統的機械傳動系統由支撐部分和傳動部分組成，具有固定、支撐、旋轉、抗風力和防腐防銹的功能。傳動部分東西向采用渦輪蝸桿旋轉傳動，垂直向采用齒輪齒條。渦輪蝸桿傳動結構緊湊，傳遞動力較穩定，工作可靠而且自鎖能力較強， 機械的傳動間隙達到0.02 m。支撐方陣的跟蹤支架采用軸架式結構，跟蹤系統的輸出軸同時起到方陣支撐架的作用。機械傳動部分的強度應能經受工作現場的最大風力，并有密封潤滑和防塵措施確保系統可靠性。太陽在水平運動的角度為0.25?/min，方陣的運行速度應略大于太陽的運行速度，但不能太大，否則會因慣性作用引起方陣的往復振動。采用機械減速和電機減速同時進行的設計方案，渦輪蝸桿傳動比為180:1；垂直齒輪齒條傳動比為156:1，兩傳動系統分別在減速直流電機和控制器作用下，實現自動跟蹤太陽功能，系統輸出轉速小于2 rpn。

圖4 光伏發電系統機械傳動組裝圖

2.3 自動跟蹤控制器

目前普遍使用的自動跟蹤電路的設計有模擬電路和數字電路兩大類。數字電路采用單片機控制，較為常用，跟蹤精度較高，但電路結構較為復雜，成本相對較高，抵御環境能力較差，不易維護；采用模擬電路尤其是開關類型電路，具有電路結構簡單，穩定性高，抵御環境能力強，易維護，成本低等優點。本設計采用開關型電路，使得電動機帶動整個系統工作在間歇工作狀態，減小了系統的電量消耗和使用壽命，控制精度完全達到使用要求。因為光伏組件方陣是一個無人值守的系統，跟蹤控制功能除要求跟蹤太陽之外，還要能鑒別光強的高低，即在光強達到足以利于時開始跟蹤，光強低于這個水平時停止跟蹤。夜間時，方陣要返回到第二天的起始工作位置，并能自動切斷電源。

自動跟蹤控制器電路如圖5所示。由東西向跟蹤電路和南北向跟蹤電路兩部分組成，因兩部分電路完全相同，所以以東西向跟蹤電路為例。該控制電路主要由光電傳感器、下行遲滯電壓比較器、電機驅動電路、夜晚返回電路、輔助電路和24 V穩壓電路等組成。

圖5 自動跟蹤控制器電路原理

光電傳感器由光電二極管D1、D2組成，如圖3所示。D1、D2位于光電傳感器左右兩邊，檢測東西向運行太陽與方陣的偏轉角度。當太陽垂直照射在方陣上，光電二極管均被照射，均導通；當隨著太陽西移時，遮光板遮擋住一側的光電二極管，另一側的受光照導通。

下行遲滯電壓比較器由集成運算放大器IC2A和IC2B及周圍附屬元件構成，光電二極管作為比較器的輸入端，把模擬量送入運放反相輸入端，與一個給定電壓同相輸入端，兩者進行比較，輸出開關量，實現模擬量到開關量的轉換。該電路帶有正反饋，所以增加了輸入信號的幅度，提高了信號識別能力。

以D1和集成運算放大器IC2A為例對電路進行分析。光電二極管D1 把光信號轉換成電信號，加在運放IC2A的反向輸入端，電壓為U-。運放同相輸入端電壓U+，電阻R4、Rw3、Rw2構成正反饋電路，反饋信號Uf作用與同相輸入端，通過分壓電阻R3和Rw2提供參考電壓Uz。

式中，RD為光電二極管的阻值。

若光電二極管不被光照，處于截止狀態。RD較大時，運放同相輸入電壓U+低于反相輸入電壓U-，運放輸出電壓Uo=-Uom，為飽和負電壓。該低電壓使驅動電路中開關三極管截止。當光電二極管被光照射后導通，RD較小，兩端電壓變小，同相端電壓U+高于反相端電壓U-，而且在正反饋的作用下，運放同相輸入端電壓U+得到加強，運放輸出端電壓Uo=Uom，輸出為飽和高電平。該高電平使驅動電路開關管導通。該電路引入正反饋，大大提高電路開關速度和電路工作的準確性，該電路設計性能可靠穩定。

電機的驅動電路由繼電器JK1、JK2 和開關三極管Q1、Q3構成。開關三極管具有控制電路簡單、集電極電流大、開關速度較快等優點，和繼電器配合，在輔助電路的作用下，24 V電源接通使得直流電機按照要求正轉、反轉和停止。當D1遮擋而D2受照射時運放IC2B輸出高電平，D7導通，Q3飽和導通，線圈JK2得電，其常開觸點閉合，經過線圈JK1的常閉觸點接通電機的24 V直流電，電機向傳感器D2 方向轉動；當D2遮擋而D1受照射時，運放IC2A輸出高電平，二極管D6導通而D7、D8截止，Q3飽和導通，線圈JK1、JK2同時得電，電機經過線圈JK1常開觸點和線圈JK2常閉觸點接通24 V電源，向傳感器D1 方向轉動。當太陽垂直照射方陣時，傳感器D1和D2同時被照射，運放IC2A和IC2B同時輸出高電平，三極管Q2和Q4飽和導通，使得二極管D6和D7陽極接地被截止，線圈不閉合，電機不得電，停止工作。

夜晚返回、停止電路由限位開關K2 、K1和繼電器JK3構成。當光伏組件方陣夜晚轉到西邊時，西限位開關K2閉合，線圈JK3得電，運放IC2A反相輸入端電壓低于同相輸入端電壓，運放輸出高電壓，開關三極管Q1和Q3飽和導通，繼電器JK1和JK2得電，電機反轉，回到起始點。K1斷開，電機停止轉動。

輔助電路是由三極管(Q4和Q2)，二極管D6、D7、D8和相應電阻構成。其作用是當太陽垂直照射在光伏組件陣列上時，使驅動三極管截止，電機停止轉動。

3 結束語

全文介紹了太陽自動跟蹤控制器電路結構及工作原理，并進行了詳細的電路分析。該設計采用開關電路設計，巧妙地運用了二極管和三極管的開關特性，電路簡單、價格便宜而且實用、工作穩定、耗電量少、便于維護、抵御環境能力強，綜合性能優于數字電路和模擬電路控制器。采用跟蹤器后可使平均功率提高30%以上。

雙軸跟蹤器已應用在我院小型太陽能電站項目上，完全達到了設計要求。控制器跟蹤性能穩定。該控制器也可用于其他太陽能應用行業。

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