便攜式跟蹤光伏發電裝置設計及其跟蹤效果分析

張錫鑫， 楊 帆， 劉德利， 殷 謙， 宋鵬飛， 田文濤

(東南大學 能源與環境學院， 南京 210096)

太陽能具有儲量豐富、利用方便的特點，近年來發展十分迅速。據國家能源局的數據，2016年全球光伏新增裝機量76 GW，其中我國新增裝機量占45.5%，達34.5 GW[1]。為提高設備對太陽能的利用效率，可利用太陽能跟蹤系統使光伏電池板受光面始終朝向太陽，從而提高電池板的太陽能接收率，采用了太陽能跟蹤系統的太陽能利用設備最高可提升30%以上的利用效率[2-3]。近年來，隨著移動智能設備、電動汽車的廣泛使用，以及應急、野外發電方面的需求，移動式光伏設備具有廣闊的發展空間。

目前常見的太陽跟蹤方式主要有閉環的光電或圖像傳感器跟蹤、開環的視日運動跟蹤及開閉環相結合的跟蹤模式[4]。王金平等[5]設計了一種基于可編程編輯控制器(PLC)的槽式太陽能集熱器視日運動跟蹤系統，成本較低，采用的算法精度與國際上較先進的高精度太陽位置的計算算法相當；王紅睿等[6]設計了一種開環視日運動跟蹤及閉環視覺伺服控制相結合的跟蹤系統，提出了基于圖像信息的跟蹤系統切換方法；李相俊[7]提出了一種基于Arduino控制器的閉環光電太陽跟蹤系統，可實現物聯網功能。

目前的研究均針對固定式的太陽能利用設備，體積較大且成本較高。因此，筆者設計了一種便攜移動式、開閉環相結合、低成本的雙軸太陽能跟蹤系統，并針對該系統進行了相關的模擬分析。

1 整體方案

筆者所設計的移動雙軸跟蹤系統整體結構見圖1，具體的系統三維設計見圖2。

圖1 系統整體結構示意圖

1—穩壓器及電壓電流傳感器；2—舵機；3—支架；4—實時時鐘；5—控制板；6—姿態傳感器；7—溫濕度傳感器；8—藍牙無線傳輸模塊；9—光敏二極管模塊；10—光敏電阻模塊；11—光伏電池板；12—蓄電池

圖2 系統三維設計圖

該系統主要由太陽能電池、控制板、傳感器組、支架與傳動、無線傳輸、穩壓及蓄電池和用電器部分組成。控制板通過讀取傳感器組中各組件的數據，經處理后通過控制支架傳動器件以實現電池板跟蹤太陽的目的；同時控制器可將電池板角度、電壓、電流、環境溫度及濕度等數據通過無線傳輸部分傳輸至用戶手機，或者接收手機發出的控制指令；光伏電池板產生的電能則經穩壓及蓄電池穩定處理后，供給用電器使用。

2 軟硬件的設計

2.1 軟件設計

閉環太陽跟蹤系統設備靈敏度高，設計比較簡單，但受天氣及其他因素影響較大，可能發生誤動；開環太陽跟蹤系統的設計制造比較簡單，但不夠靈活[8]。若可以將兩者優勢恰當地結合在一起，避免其中的缺陷，輔以穩定系統，則可以進一步提升跟蹤的精度及設備的安全性。相比基于圖像傳感器的閉環太陽能跟蹤模式，光電傳感器組成本較低。綜上，筆者設計的系統采用了閉環光電跟蹤模式及開環視日運動跟蹤相結合的跟蹤模式，并實現了智能切換，以最大程度提升跟蹤的精度，防止因誤動帶來的能量損耗及設備損壞。

系統工作于閉環跟蹤模式時，控制板可分別讀取設于電池板4個角上的光敏二極管的數據，將數據劃分成上、下、左、右4組，分別對四周不同方向上的光強比較，并在未超限狀態下通過水平及垂直方向的舵機控制太陽能電池板向光強一側移動。另外，傳感器數據相差較大時，使用較高速度移動，較低時以低速精確移動。這里的光敏傳感器使用光敏二極管，這是由于光敏二極管方向性較好、響應速度快，可精確感受該方向的光強變化。

當處于云量較多或陰天等太陽光線較弱的天氣狀況時，不同方向上的光敏電阻差異過大，控制板會自動將跟蹤模式調整到按實時時鐘時間數據計算太陽位置運行的開環跟蹤模式，從而保證跟蹤的效果，防止出現誤動等異常情況。光敏電阻可感受的范圍較大，可更為迅速地感受到周圍環境光強的變化，因此選用了光敏電阻。

為防止系統頻繁切換工作模式而造成不必要的能量損耗及安全問題，控制板內有延時程序，當環境光照變化時間超過一定限值時，才會允許跟蹤模式進行切換。跟蹤控制部分的程序流程見圖3。

圖3 跟蹤控制程序流程圖

為了保證跟蹤精度，開環跟蹤模式采用的太陽方位計算公式如下[8]，其中所需的時間數據可通過讀取實時時鐘芯片獲得。

(1)

αs=arcsin(sinφ·sinδ+cosφ·cosδ·cosω)

(2)

γs=arccot(sinφ·cotω-cosφ·tanδ·cscω)

(3)

ω=(t-12)·15

式中：δ為太陽赤緯角，(°)；αs為太陽高度角，(°)；γs為太陽方位角，分別以地平線及正南方向為0°，(°)；n為當日日期在該年內的序號；φ為當地緯度，(°)；ω為太陽時角，當時間為上午(即太陽位置在東南方向時)符號為正，(°)；t為當地時刻。

2.2 硬件設計及選型

2.2.1 控制器的選型

為了滿足系統的控制要求，控制器選用了Arduino NANO v3。Arduino NANO v3采用一塊貼片式ATmega328P 8位處理器作為主控芯片，尺寸較小且本身電流只有19 mA，但引腳最高可輸出200 mA電流，可以驅動舵機。Arduino NANO v3共有22個可用引腳，其中6個數字引腳具有輸出脈沖寬度調制(PWM)信號的功能，能夠用于控制舵機，所具有的8個模擬輸入引腳可以方便地連接光敏器件。而采用Arduino IDE編輯控制程序可以節省編制程序所需的時間以提升效率[9]。

2.2.2 驅動電動機的設計及選型

與步進電動機相比，舵機具有反應快速、精度較高且功耗較小等特點。同時，每臺步進電動機往往需要4個或更多的I/O口用于控制，而舵機僅需1個具有輸出PWM信號功能的I/O口即可控制，可以節省I/O口資源，因此該系統選擇舵機作為跟蹤支架傳動裝置。為了對舵機進行選型，還須要對各個方向上舵機所需要的扭矩進行計算。

該系統發電所用的單晶硅太陽能光伏電池板質量為230 g，多功能支架質量分別為42 g、38 g，穩壓器及其他器件質量約250 g，電池板距舵機約5 cm。為保證裝置正常工作，舵機所需提供的扭矩可按下式計算[6]。

T=ε·m1·d

(4)

式中：T為舵機所需扭矩，kg·cm；ε為安全系數，取2；m1為需要運載的質量，kg；d為距舵機的距離，cm。

經計算可得，垂直方向上運載電池板及支架需要5.22 kg·cm以上的扭矩，而水平方向上扭矩與舵機質量有關，估算舵機質量為60 g，可得需扭矩約5.42 kg·cm。因此，可以選用MG996R型質量為55 g的舵機，標稱扭矩為9.4 kg·cm。

2.2.3 穩定系統設計

開環控制模式不具備反饋調節功能，因此運行誤差會逐步累積，造成精度下降[10]；而在太陽能光伏跟蹤系統中，風、振動等因素都會造成誤差。為防止系統在長時間的開環跟蹤狀態下誤差過大，導致跟蹤失效，該系統使用姿態傳感器讀取太陽能電池板姿態數據，發送到控制板，輔以PID控制來減少運行誤差。穩定控制系統結構見圖4。

圖4 開環模式穩定控制系統結構圖

2.3 輔助手機應用設計

為了提高系統的易用性，方便用戶實時掌握光伏發電裝置的工作及環境狀態，該系統使用藍牙無線通信模塊以實現與用戶手機連接。開發了專用的安卓手機應用，簡單易用，進一步提升了操作界面的友好性，并以此為基礎建立手機-發電設備間的物聯網連接。

應用程序的功能可分為：

(1) 連接，用于建立或斷開與光伏裝置間的無線傳輸。

(2) 狀態監控，可對裝置的工作角度、環境溫度、環境濕度、實時電壓、實時電流及跟蹤模式進行無線監控，并具有更為直觀圖形化界面。

(3) 數據記錄，可將每秒接收的工作數據記錄并輸出文件，方便進行設備性能或故障分析。

(4) 遙控控制，手機應用可控制設備的垂直、水平角度及各個方向上的運動上下限，方便某些特殊情況的應用及測試。

(5) 系統校準，可使用手機應用對設備上的實時時鐘進行校準，防止因時鐘不準而造成的工作誤差，使用地點及緯度的不同也會影響開環視日軌跡跟蹤的精度，因此手機應用可以通過GPS定位數據對設備位置信息進行校準。

(6) 天氣預報，當手機聯網時，可通過定位信息獲取當地的實時天氣預報，并對設備運行狀況進行預測。

具體的手機應用程序流程見圖5。

圖5 手機應用程序流程圖

3 模擬及分析

為驗證系統的太陽跟蹤效果及適用的地域范圍，筆者使用MATLAB軟件并結合相應公式，對不同緯度下采用了雙軸跟蹤的光伏發電系統相比其他單軸或未跟蹤系統的效率提升程度及理論發電量進行了理論模擬分析。

3.1 跟蹤模型的建立

根據相關文獻資料，對于某一平面上接收的太陽能量可以分為直射、散射及反射[11]，具體的計算見下式。

(5)

IH=IB+ID

(6)

式中：ΦT為任意平面上接收的太陽能量，W；IB為處在平均日地距離時的太陽輻照強度，取1 367 W/m2；Pm為大氣透明度，與各地輻射觀測值有關，通常取大氣光學質量m為2時的值；A為平面面積，m2；θ為太陽入射角，(°)；ID為太陽散射輻射強度，W/m2；β為平面在垂直方向的傾斜角，(°)，假設為45°；ρ為地面反射率，取0.2；IH為太陽總輻照強度，W/m2。

由于對實際當地太陽直接輻照強度的計算須要對大量數據進行收集與分析，具有一定的困難及復雜性，為了方便分析并貼近實際情況，筆者在模擬過程中使用了由美國國家宇航局提供的22年間平均太陽直接輻照強度觀測數據。太陽能光伏電池板的理論實際發電量與電池板的轉化效率有關，具體關系見下式。

QS=τ·ΦT·ηd

(7)

式中：QS為設備理論發電量，J；τ為發電時間，s；ηd為電池板的轉化效率，%。

該系統所采用的單晶硅太陽能光伏電池板面積為0.046 75 m2，轉化效率約為17%。

某一平面上太陽入射角可以定義為陽光入射線與平面法線間的夾角[12]。對于雙軸系統而言，該夾角可認為是0°[2]，但對于面向南方的任意傾斜平面有下式關系。

cosθ=sin(φ-β)·sinδ+cos(φ-β)·

cosδ·cosω

(8)

對于水平單軸跟蹤系統，可采用下式計算太陽入射角[11]。

cosθ=sinβ·sinα+cosβ·cosα·

cos(γs-γn)

(9)

式中：γn為任意平面的方向角，即任意傾斜平面的法線在水平面上的投影與正南方向線之間的夾角，在水平跟蹤模式下，可認為γn與γs的差值為0°，(°)。

對于垂直單軸跟蹤系統，可認為β為太陽高度角αs的余角，再代入式(8)進行計算，模擬中假設水平方向為面向正南方向。

不同跟蹤系統的跟蹤效果可以利用cosθ進行比較，并定義采用不同跟蹤方式接收太陽能量與雙軸跟蹤方式間接收太陽能量的比值為η。

3.2 模擬結果與分析

通過對不同緯度下采用不同跟蹤模式的系統理論發電量、接收太陽能量比值進行模擬計算，所得結果見圖6。

圖6 不同緯度下系統的模擬計算結果

表1為不同跟蹤模式下系統接收太陽能量對比。

表1 不同跟蹤模式η平均值對比

從圖6(a)可知：各種跟蹤模式理論發電量與緯度間的關系曲線形狀大致相同，緯度主要通過影響當地實際太陽直接輻照強度來影響太陽能光伏電池板的發電量，采用同一跟蹤模式時緯度間跟蹤效果差異較小。綜合表1結果可知：不論采用何種跟蹤方式都可以提升電池板的發電量，但雙軸跟蹤模式的跟蹤效果要顯著高于單軸跟蹤模式，在不同緯度上的效果提升在18%～27%。表1所得結果與文獻[13]所得結果接近，驗證了模型的有效性。

從圖6(b)可知：電池板接收的太陽能量理論比值隨著緯度的上升而逐漸緩慢上升，即相比雙軸跟蹤的跟蹤效果提升程度在緩慢下降，這與非跟蹤模式下選擇的垂直方向傾角有關。結合公式分析可知：每一緯度下均存在一最佳垂直傾角，處于該傾角下的非跟蹤太陽能電池板發電量最高，且這一傾角與緯度相近。由于45°傾角較大，因此采用傾角的非跟蹤太陽能光伏電池板在較高的緯度下性能更佳。

綜上，采用雙軸跟蹤的太陽能光伏發電系統可以使發電效率得到明顯提升，同時緯度對發電效率提升的影響有限，可見雙軸跟蹤系統具有廣泛的適用緯度范圍。

3.3 實際跟蹤效果的驗證

為了驗證所設計系統的實際工作效果，筆者對完成的裝置實物進行了跟蹤效果測試，測試時間為夏至，結果見表2、表3。

表2 雙軸垂直跟蹤效果測試結果

表3 雙軸水平跟蹤效果測試結果

由表2、表3數據可知：雙軸跟蹤系統與計算所得結果間誤差大多在5%以下，符合光伏跟蹤系統的精度要求；而在08:00:00時雙軸水平跟蹤效果的誤差大于5%，與所選用的舵機最大運動角度有關。

4 結語

采用跟蹤系統的太陽能光伏系統發電效果相比非跟蹤系統具有明顯的提升。針對移動智能設備充電、應急和野外供電需求，筆者設計了一種采用閉環光電傳感器跟蹤及開環視日軌跡跟蹤相結合跟蹤模式的雙軸太陽能光伏發電系統，可根據運行環境狀況實現兩種模式間的轉換。為了提高系統的易用性，還設計了專門的手機應用，可方便地對運行狀況進行監控及記錄。

為了驗證該跟蹤系統的有效性及適用范圍，筆者對采用跟蹤及未跟蹤兩種模式下光伏電池板的理論發電量及比值進行了模擬計算。雙軸跟蹤模式的跟蹤效果要顯著高于單軸跟蹤模式，在不同緯度上的效果提升在18%～27%，實際測試也說明跟蹤系統符合設計的要求。