自動跟光太陽能光伏發電系統設計

刁 穎，陶國彬，王中鈺，杜艷萍，馬 磊

（1.東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶163318；2.大慶裝備制造集團射孔彈廠 黑龍江 大慶163853；3.大慶油田礦區服務事業部物業管理二公司 黑龍江 大慶163411；4.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶163318）

自動跟光太陽能光伏發電系統設計

刁 穎1，陶國彬1，王中鈺2，杜艷萍3，馬 磊4

（1.東北石油大學 電氣信息工程學院，黑龍江 大慶163318；2.大慶裝備制造集團射孔彈廠 黑龍江 大慶163853；3.大慶油田礦區服務事業部物業管理二公司 黑龍江 大慶163411；4.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶163318）

本文針對光伏系統發電效率偏低問題進行改進設計研究，設計采用光伏系統自動跟光技術，針對光電檢測模塊、計算機控制模塊、步進電機驅動模塊進行研究，再對跟光系統跟光原理進行分析，在此基礎上完成自動跟光太陽能光伏發電系統的整體設計。通過對自動跟光式光伏發電系統與固定式光伏發電系統的測試，數據結果表明，該系統發電效率相比于固定式發電效率提升37%，系統能夠準確跟蹤太陽位置，系統運行穩定。

太陽能；光伏發電；發電效率；自動跟光

鑒于能源危機以及環境惡化問題的日益加重，太陽能光伏發電憑借其取之不盡、用之不竭所特有優勢得到了快速發展。但是，相對于其他可再生能源而言，由于發電效率偏低和發電成本偏高的問題，光伏發電系統同樣存在其弊端，因此針對這兩大問題的研究，對于光伏產業而言，將會起到極大地促進推廣的作用[1-7]。傳統的光伏組件大多采用固定式的安裝模式，由于其組件安裝角度固定，其傾角不跟隨太陽的運動而改變，因此導致太陽能極板所接受到的輻射強度會跟隨時間而不斷改變[8]。據推算：若光伏組件與太陽光線存在25度的角度偏差，就會因此導致垂直入射的輻射能降低，使光伏組件的輸出功率下降10%左右。因此采用自動跟光式光伏陣列結構能夠有效提升光伏陣列發電效率[9-12]。

1 太陽能光伏發電系統

自動跟光太陽能光伏發電系統整體結構框圖如圖1所示，其中虛線區域外為光伏電源系統流程結構，虛線區域內為太陽跟蹤系統流程結構[13-15]。

圖1 自動跟光太陽能光伏發電系統整體結構框圖

光伏電源系統中，太陽能電池陣列將光能轉化為電能，然后傳輸給充放電控制器進行處理，蓄電池接入端子連接蓄電池，負載輸出端子連接逆變器、DC/DC變換器，DC/DC變換器將電壓降為5 V，連接直流負載以及對數據處理、通信等模塊進行供電，逆變器將電壓升為220 V交流電，對交流負載進行供電。太陽跟蹤系統中，光電檢測模塊是整個跟蹤系統的前提，計算機控制模塊為整個跟蹤系統的核心，光電檢測模塊將檢測到的信號傳輸給計算機控制模塊進行分析，計算機通過對數據的分析從而控制步進電機驅動模塊驅動電機進行轉動，達到太陽跟蹤的目的。

2 光伏發電系統硬件設計

2.1 光電檢測模塊

光電檢測模塊主要是用于檢測太陽高度角與方位角的變化，其基本原理是利用光敏電阻在光照強度發生變化時阻值也會發生變化的原理，將4只光敏電阻分別放置在太陽光接收器的東南西北四個方向上，偵測這4個方向的光照強度。

圖2 光電檢測模塊電路設計圖

若太陽光垂直照射于太陽能電池板上，則相對方向的兩個光敏電阻所接收到的光照強度相同，光敏電阻的阻值變化率相等，電機不轉動，若太陽光的入射角度不是垂直于太陽能電池板，則相對方向上的光敏電阻所接收到的光照強度不同，其阻值變化率不等，電機將帶動太陽能電池板向著太陽光能夠垂直入射太陽能電池的方向轉動。從而實現太陽能電池板的自動追光功能，其電路設計圖如圖2所示。

2.2 計算機控制模塊

在本系統中，AT89C51單片機為整個控制系統的核心，起著協調太陽方位檢測、驅動控制等各模塊工作的作用，使系統能過穩定的運行。系統設計中AT89C51外圍端口的分配情況如表1所示。

表1 AT89C51外圍端口分配表

表1中，P1.0～P1.3為步進電機脈沖信號及模式信號的信號輸出端。P2.3～P2.5為單片機與DS1302的通信控制端口，通過DS1302芯片為單片機實時提供時間信息。P2.6～P2.7為太陽方位檢測信號采集端口，連接PCF8591芯片，將經過A/D轉換后的電路電壓比較信號輸入到單片機中。其中，高度角步進電機帶動太陽能極板做俯仰運動，方位角步進電機帶動太陽能極板做水平旋轉運動。

2.3 步進電機驅動模塊

圖3 驅動電路設計圖

步進電機驅動模塊主要受計算機控制模塊進行控制，考慮到跟蹤系統的執行機構需要能夠對角度進行精確控制以及對執行機構的跟蹤速度要求不高的因素，本系統采用步進電機進行太陽跟蹤。

作為機電控制中常用的一種執行機構，步進電機的作用是將電脈沖量轉化為角位移量。脈沖信號通過步進電機驅動電路傳入步進驅動器中，步進電機根據脈沖信號的高低電平的數量，按設定的方向轉動相應角度的角位移量（即步進角），從而達到準確定位的目的。其驅動電路設計圖如圖3所示。

3 跟光系統軟件設計

跟光系統是指太陽的方位跟蹤，流程圖如圖4所示。

圖4 跟光系統流程圖

首先，通過太陽方位檢測電路對方位信號進行采樣，得到輸入電壓信號 Ua、Ub、Uc、Ud，而后通過單片機控制模塊對采集到的信號進行處理，得到太陽在方位角與高度角上的偏移量Ex、Ey。然后，對Ex、Ey的絕對值與方位角和高度角的閾值e1、e2分別進行比較，若均小于閾值，則跟蹤結束；反之，則需要進一步的調整跟蹤機構追蹤太陽，根據Ex、Ey的符號調整電機的旋轉方向，根據Ex、Ey的值調整電機旋轉的角度，而后進入下一次光電跟蹤，直至Ex、Ey的絕對值小于各自相應的閾值e1、e2，則光電跟蹤結束。

程序設計思路：程序開始首先進行初始化，而后獲取經過AD轉換器進行轉換的數據并對其進行比較，從而控制步進電機繼電器的開關達到跟光的目的。

4 光伏發電系統測試

將光電檢測模塊、單片機控制模塊、步進電機驅動模塊、手動操控模塊各模塊進行整合，組成完整的獨立供電太陽能光伏發電系統，對系統進行測試，其系統實物圖如圖5所示。圖5上部分為自動跟光系統，四塊太陽能極板串聯連接，固定在轉動軸上，光電檢測模塊固定在太陽能極板的上部，與板面保持平行。圖片下部分為系統的光伏電源系統，該部分系統通過線纜對跟光系統進行供電，使得跟光系統能夠穩定的運行；同時，太陽能極板通過線纜將經過光伏電池轉換后的電能傳輸到該系統中，經過控制器、逆變器等器件將電能儲存轉換為可用的交流電與直流電供給負載使用。

圖5 獨立供電太陽能光伏發電系統實物圖

避免周圍建筑物以及樹木等產生的陰影，對測量結果產生影響，實驗選擇在學校教學樓頂層平臺進行，具體為東經124.16度、北緯45.82度。此外，另設計了一套由同樣規格的4塊太陽能電池板進行串聯的固定式光伏發電系統實驗設備。每隔兩分鐘，分別對兩組設備進行開路電壓與短路電流的采集，進行為期兩天的實驗測試，選取其中一天的數據進行分析對比，該日天氣情況為上午陰天下午晴天。

圖6 開路電壓對比圖

圖6為開路電壓對比圖，由圖可知，陰天時跟蹤式與固定式光伏發電系統曲線很接近，電壓相差不大；晴天時，兩天曲線分開的很明顯，跟蹤式光伏發電系統的開路電壓要明顯高于固定式光伏發電系統的開路電壓，尤其是下午四點至四點半，由于此刻固定式光伏陣列始終是面向正南，因此接收到的輻射量很少，而跟蹤系統始終跟隨太陽的運動，因此接收到的輻射量要明顯多于固定式，開路電壓也比較高。

圖7為短路電流對比圖，由圖可知，陰天時跟蹤式與固定式光伏發電系統曲線區分不明顯，且短路電流值都比較小，晴天時跟蹤式與固定式光伏發電系統曲線區分尤為明顯，跟蹤式短路電流高達4.66 A。

圖7 短路電流對比圖

圖8 輸出功率對比圖

圖8為系統輸出功率對比圖，由圖可知，陰天時跟蹤式與固定式系統輸出功率都不高，并且曲線很接近，晴天時跟蹤式光伏系統輸出功率明顯高于固定式光伏系統輸出功率，曲線分開的很明顯。由此，通過計算可知，跟蹤式結構的光伏系統，其輸出功率相比于固定式光伏系統輸出功率提高37%，即自動跟蹤系統相較于固定式光伏系統發電效率提升37%。

5 結 論

文中所設計的自動跟光太陽能光伏發電系統是在對傳統的固定式獨立光伏發電系統如何有效的提高其光伏發電效率的研究的基礎上提出的，硬件具有可便攜、光伏發電效率高、跟光系統穩定等特點，軟件算法運行流暢，通過實際測試表明，該系統設計比較合理，跟光系統能夠準確、穩定的跟蹤太陽，能夠將更多的電能提供給用電負載使用。

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Design of automatic and solar photovoltaic power generation system

DIAO Ying1，TAO Guo-bin1， WANG Zhong-yu2， DU Yan-ping3， MA Lei4
（1.Northeast Petroleum University School of Electrical and Information Engineering， Daqing 163318，China； 2.Daqing Equipment Manufacturing Group Charge Factory， Daqing 163853， China； 3.Daqing Oilfield Mining Services Division of Property Management Company， Daqing 163411， China；4.Northeast Petroleum University College of Earth Sciences， Daqing 163318，China）

In this paper，we propose a new approach to improve the power generation efficiency of photovoltaic system.We first use the automatic light tracking technology，and focus on the photoelectric detection module， computer control module and stepper motor driver module， and then analyze the working principle of light tracking system，at last build the whole system of automatic light tracking solar photovoltaic systems.We compare our method with the fixed photovoltaic power generation system，and the results show that the effectiveness of the proposed system is 37%more than the fixed photovoltaic power generation system.Further，the system can stably accurately track the position of the sun.

solar energy； photovoltaic power generation； power generation efficiency； automatic light tracking

TN361

A

1674－6236（2017）12-0093-04

2016-05-04稿件編號：201605030

刁 穎（1990—），女，山東萊蕪人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。