復合式太陽能跟蹤控制器的設計*

張曉軍，楊家強，汪俊杰

(浙江大學 電氣工程學院，浙江 杭州 310027)

0 引 言

目前太陽能的收集利用存在光電轉換效率低的問題：(1)硅光材料自身光電轉化效率低；(2)由于傳統發電裝置太陽能電池板固定，太陽光線無法垂直照射電池板[1-3]。

近年來，許多機構和學者將研究重點轉到太陽能跟蹤裝置上，主要有斜單軸和雙軸兩種跟蹤裝置。斜單軸跟蹤方式雖然比雙軸跟蹤效率低4%～6%，但系統結構簡單可靠、經濟性高，在光伏發電領域獲得大規模應用。

斜單軸跟蹤方式主要有視日運動軌跡跟蹤和光電傳感器跟蹤。采用視日運動軌跡跟蹤時，雖然系統結構簡單、跟蹤穩定，但跟蹤精度低，而且對光伏支架安裝精度要求較高；采用傳感器跟蹤雖然跟蹤精度高，但存在響應慢、穩定性差、不能全天候運行等問題[4-8]。

本文將設計一款基于視日運動軌跡跟蹤和光電跟蹤相結合的復合太陽能自動跟蹤系統。

1 系統總體設計

太陽能跟蹤控制器主要是使光伏板和太陽光線入射夾角最小，所以整個系統主要包括核心控制器TMS320F28035、GPS模塊、直流減速電機及其驅動電路、傾角傳感器、光照傳感器等部分。

系統結構框圖如圖1所示。

圖1 系統結構框圖

該系統采用視日運動軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結合的方式實現全天候的高精度跟蹤。系統工作時，DSP通過GPS模塊獲得當地的地理經緯度和時間，并計算出跟蹤角度，通過角度傳感器閉環反饋，驅動直流減速電機轉動到相應的角度。轉動到計算角度后，傳感器會檢測此時兩側光強是否在閾值內，超過閾值系統會進行調整，直到誤差在閾值內，這樣實現了誤差的最小化[9]。

1.1 直流電機驅動模塊

電機驅動選用Intersil公司的高頻全橋驅動芯片HIP4081。該芯片內部集成了CMOS控制電路和由MOS管組成的H橋，芯片內部自帶死區時間設置，用來保護H橋的4個場效應管，效率高達97%。

1.2 傾角傳感器

傾角傳感器用來檢測光伏板的傾斜角度。傳感器選用SCA60芯片，當傳感器繞跟蹤軸轉動時，其輸出電壓Vout和傾角β的對應關系為:

(1)

式中：Voffset—傾角傳感器放平時的電壓輸出值，一般2.5 V；Sensitivity—傳感器靈敏度，一般為2 V/g，相鄰角度輸出電壓差約為0.022 V。

設計時，將SCA60固定在南北轉軸上，處理器根據SCA60輸出電壓判斷太陽能電池板的角度。

1.3 光照傳感器模塊

本文設計的跟蹤系統中光照強度傳感器使用的是LXD66MQ硅光電池。硅光電池特性圖如圖2所示。

圖2 硅光電池特性圖

本研究采用硅光電池作為光照傳感器正是基于硅光電池的短路電流和光照度(光能量)成線性的關系，通過對短路電流放大然后裝換為電壓信號送到處理器，定量計算出光照強度。

1.4 無線通信模塊

本研究通過無線模塊實現太陽能跟蹤系統與上位機的雙向數據通信，將跟蹤系統的數據發送到云平臺，管理員在云平臺上實時監測系統的運行狀況，遠程控制跟蹤系統。

操作界面如圖3所示。

圖3 上位機監控界面

2 系統軟件設計

首先需要對太陽的運動軌跡建立數學模型，獲得當地的太陽方位角和高度角。

2.1 視日運動軌跡跟蹤系統數學模型

視日運動軌跡跟蹤主要通過在地平坐標系下建立太陽運動軌跡模型，通過對軌跡的計算獲得太陽的實時位置。太陽位置示意圖如圖4所示。

圖4 太陽高度角和方位角示意圖

在地平坐標系下，太陽赤緯角δ可表示為[9]：

(2)

式中:n—一年中的第幾天。

地方時角可表示為：

ω=(t-12)×15°

(3)

式中:t—真太陽時，由地理位置決定。

t計算方式如下:

t=北京時-(120°-地方經度)×4 min

(4)

由太陽時角和赤緯角，可以繼續計算出太陽高度角和方位角[10-11]。

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω

(5)

(6)

式中:φ—地理緯度；δ—太陽赤緯角；ω—太陽時角；α—太陽高度角；γ—太陽方位角。

系統的目標是使太陽能電池板和太陽入射光線夾角最小。針對固定式光伏陣列，太陽光和光伏陣列采光面的夾角θ為：

cosθ=sinαcosβ+cosαsinβcos(γ-A)

(7)

式中:α—太陽高度角；γ—太陽方位角；β—光伏陣列傾角；A—光伏陣列方位角，指光伏陣列傾斜面法線在地面的投影與正北方向的夾角。

對于斜單軸，有：

(8)

式中:βr—光伏陣列相對于地面的傾角，對平單軸βr=0。

光伏陣列所需的跟蹤角ρ為：

(9)

基于視日運動軌跡跟蹤算法，本研究通過Matlab仿真獲得了春分日、夏至日、秋分日和冬至日的光伏陣列跟蹤角度，如圖5所示。

圖5 光伏陣列跟蹤角度

通過仿真發現，光伏陣列在春分日轉到中間的位置的時間最早，而秋分日最晚，與太陽運動規律所吻合；冬至日早晚跟蹤角度變化最慢，而中午光伏陣列轉動最快。而夏至日早晚跟蹤角度變化相對較快，而中午階段轉動最慢。同時，夏至日階段，太陽跟蹤角度和太陽時角變化基本一致。

2.2 復合式跟蹤系統算法

為節省電量和系統穩定運行，系統每5 min跟蹤一次。系統根據GPS獲得當前時間和經緯度，然后計算出太陽方位角和高度角，進而獲得光伏陣列的跟蹤角，進行初步跟蹤，之后通過光照傳感器進行精確跟蹤。

為防止出現短時云遮現象，增加光照跟蹤偏差角，防止出現誤動作，系統控制流程圖如圖6所示。

圖6 控制流程圖

跟蹤系統會在夜間轉平，早上會轉到東側限位位置等待太陽升起進行跟蹤，下午跟蹤到西側限位后會等到夜晚再次轉平等待第二天的開始。

3 實驗及結果分析

本文搭建了一套2.25 kW的斜單軸太陽能自動跟蹤裝置，如圖7所示。

圖7 2.25 kW斜單軸跟蹤裝置

該系統主要由以下幾部分組成：(1)直流減速電機；(2)二象限傳感器；(3)9塊250 W太陽能電池板；(4)蝸輪蝸桿減速器；(5)控制箱，包括控制系統的控制器和電機驅動器。

試驗裝置地理位置(30.14 N.120.01 E)，該地平均日照時間4.45 h～4.8 h，試驗時間是2017年7月29日，天氣晴朗。

通過對跟蹤裝置連續運行數據記錄，有關數據如表1所示。

表1 太陽方位角跟蹤數據

通過對表1中11:00～17:00的方位角跟蹤數據和誤差分析，證明該控制裝置可以實現自動計算和跟蹤太陽軌跡，并獲得跟蹤系統最大跟蹤誤差為0.5°，具有較高的跟蹤精度。

本研究采集實驗平臺每0.5 h并網逆變器的功率數據，曲線如圖8所示。

圖8 光伏陣列輸出功率曲線

本研究通過對曲線積分計算得到采用跟蹤系統的光伏陣列比固定式光伏陣列發電量高26.2%，所以該跟蹤方法對于提高光伏發電效率具有現實意義。

4 結束語

本文首先通過對太陽運動軌跡建立數學模型，進而通過坐標變換求出光伏陣列相對于太陽運動的數學模型，通過對模型的求解獲得光伏陣列的跟蹤角度，驅動電機使光伏陣列轉動到計算角度；采用視日運動軌跡跟蹤和光照傳感器結合的復合式跟蹤方式，提高了系統的跟蹤精度、穩定性和可靠性。

實驗對比可知：采用本文所提跟蹤方法的斜單軸裝置比固定式裝置發電量高26.2%，跟蹤誤差在0.5°內，而且該方法不僅適用于斜單軸，還可以推廣到平單軸和帶傾角的平單軸跟蹤系統中。

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