光伏光熱一體機的雙光電跟蹤太陽控制器研制

黃種明，許志龍，李 煌

光伏光熱一體機的雙光電跟蹤太陽控制器研制

黃種明，許志龍，李 煌

（集美大學機械與能源工程學院，廈門 361021）

針對聚光型光伏光熱一體機的太陽跟蹤精度和跟蹤范圍相互制約問題，設計了粗跟蹤和精跟蹤雙光電傳感器，由粗跟蹤光電傳感器大范圍捕捉太陽位置，精跟蹤光電傳感器精確地把聚光光斑鎖定在整塊光伏電池板上；分析聚光光斑跟蹤精度，計算驅動推桿運行頻率；采用單片機控制電路，優化跟蹤控制策略，使得雙光電傳感器協調穩定工作。試驗研究表明該雙光電跟蹤太陽控制器用于光伏光熱一體機，可實現0°～180°捕捉太陽，且跟蹤誤差小于0.5°；光伏光熱一體機可獲得電能和熱能的雙重效益。

太陽能；控制器；聚光單元；光伏效果；光熱效果；光電傳感器

0 引 言

由于化石燃料的大量使用，人類自身居住的生態環境遭受了嚴重的污染和破壞[1-3]。很多學者對可再生能源開展了廣泛深入的研究，太陽能資源豐富具有無可爭議的優勢，世界各地正把太陽能的利用作為重要的發展方向[4-6]。太陽輻照能量密度低，其穩定性較差，使得利用率低于預期狀態[7-9]。自1977年Russell[10]提出光伏/光熱系統以來，國內外研究人員對此進行了大量理論和試驗研究[11-14]。許志龍等[15-17]設計了一種聚光跟蹤光伏光熱一體機，通過水交換系統有效解決聚光光伏電池板的散熱問題，提高了光伏電池板的轉換效率，同時收集太陽光熱，從而達到高效、低成本的太陽能光伏、光熱綜合利用。

采用太陽跟蹤系統可提高太陽能利用率。Sungur等[18]利用西門子S7-200設計并實現了一個雙軸太陽跟蹤系統，發現雙軸太陽跟蹤系統相比固定系統獲得的能量增加了42.6%。中國科學院劉四洋等[19]在對太陽運動規律的分析基礎上，設計了主動式雙軸太陽跟蹤控制裝置，使光伏陣列跟蹤太陽的角度誤差始終保持在2之內，系統發電量比固定式提升30%。Sidek等[20]采用GPS、微控制器單元和編碼器等技術，通過太陽路徑軌跡天文算法實現太陽跟蹤，在晴天和陰天時，該太陽能跟蹤器的發電量比固定式傾斜光伏發電系統分別高26.9%和12.8%。為了提高太陽能利用率，很多學者對太陽跟蹤控制器開展系列研究。謝漪等[21]設計一種四象限太陽跟蹤控制系統實現跟蹤誤差小于0.5°。Bentaher等[22]設計了一種基于光敏電阻的太陽能跟蹤系統，對跟蹤精度與光敏電阻的最佳角度進行了數值計算和試驗研究。Chen等[23]設計了一種太陽能自動跟蹤系統，采用視日運行軌跡跟蹤，實現精度高、能耗低、壽命長、保護功能完善等，系統采用伺服電機和光電編碼器。朱國棟等[24]將光電式太陽跟蹤和視日軌跡跟蹤相互結合解決了大范圍和高精度制約問題。張學剛等[25]設計一種全天候太陽跟蹤控制系統，適合于對跟蹤精度要求不是特別苛刻，并且對跟蹤控制系統有廉價要求的場合。上述研究發現，采用太陽跟蹤控制系統比固定式光伏發電太陽利用率有較大提高；采用光敏電阻制作的跟蹤控制，跟蹤精度高，但跟蹤范圍一般在90°內；采用視日運行軌跡跟蹤是一個無反饋系統，可實現全天候跟蹤，不受外界氣象環境干擾，但會形成累積誤差，跟蹤誤差一般大于0.5°；采用光電式太陽跟蹤和視日軌跡跟蹤相互結合，解決了大范圍和高精度制約問題，但跟蹤系統較復雜，性價比不高。以上跟蹤控制方法，均采集直射光進行控制，無法解決聚光光伏光熱一體機由于機械變形引起的跟蹤誤差。

本文研制一種雙傳感器聯合控制的太陽自動跟蹤控制器，設計了粗跟蹤和精跟蹤雙光電傳感器，由粗跟蹤光電傳感器大范圍捕捉太陽位置、精跟蹤光電傳感器把聚光光斑精確鎖定在整塊光伏電池板上，以期解決單一光電傳感器跟蹤精度和跟蹤范圍相互制約問題，且粗跟蹤和精跟蹤雙光電傳感器均由太陽能電池片制作，對實際生產提供參考。

1 光伏光熱一體機聚光跟蹤方案

照射到光伏電池板表面的太陽能除了轉化為電能，還轉化為熱能[26-27]。通過導熱介質帶走太陽電池組件背面的熱量，降低電池板溫度，提高光電轉換效率，同時還收集熱能，稱之為光伏光熱一體化（Photovoltaic/ Thermal，PV/T）系統。

光伏光熱一體機采用鏡面反射原理，將太陽光反射到聚光電池組件上，實現數倍聚光功能，從而提高單位面積太陽能電池的發電量；通過PV/T板內的流水對電池片進行冷卻降溫的同時，收集部分匯聚的光熱。其原理如圖1所示，安裝在聚光單元1的多塊平面反射鏡將太陽光匯聚到聚光電池組件2上，多個聚光單元1固定在方位角傳動長軸5上，通過方位角推桿3帶動方位角傳動長軸5轉動，跟蹤太陽方位角。所有聚光單元1通過高度角聯動架6連接在一起，由高度角推桿4推動形成平行四邊形連桿擺動，跟蹤太陽高度角。多個聚光單元1由一套方位角推桿3和高度角推桿4二維聯動跟蹤太陽運行。粗跟蹤光電傳感器7安裝在聚光單元1頂上，隨聚光單元1轉動；精跟蹤光電傳感器8安裝在聚光電池組件2的四個角上。控制電路通過粗跟蹤光電傳感器7和精跟蹤光電傳感器8輪流捕捉太陽位置，驅動方位角推桿3和高度角推桿4，使聚光光斑鎖定在聚光電池組件2上，達到聚光架的精確跟蹤太陽。

2 雙光電傳感器聯合控制

2.1 光電傳感器信號調理電路

太陽能電池片將太陽輻射光能直接轉換為電能[28]。當受光照的太陽電池接上負載時，光生電流s流經負載1，并在負載兩端形成電壓s，經比例放大后轉成標準電壓信號1。本文利用太陽能電池片來制作光電傳感器。其信號調理電路如圖2所示，太陽能電池板光生電流s經調理后的標準電壓信號1為

式中為光照強度，W/m2；為太陽能電池片面積，m2；為轉換系數；0為太陽能電池片內阻，Ω；1為負載電阻，Ω；3、4為比例放大電阻，Ω。

2.2 粗跟蹤光電傳感器

為大范圍捕捉太陽位置，在一長方體側面安裝四塊光電傳感器，制作的粗跟蹤光電傳感器如圖3a所示，其對太陽光的采集范圍0°～180°。東西兩塊傳感器用于捕捉太陽方位角，南北兩塊傳感器用于捕捉太陽高度角。

注：R1為負載電阻，Ω；R2為平衡電阻，Ω；R3、R4為比例放大電阻，Ω；C1為濾波電容，F；Is為光生電流，A；Us為負載電阻R1兩端電壓，V；U1為標準信號，V。

粗跟蹤光電傳感器通過長方體基座四個側面上的太陽能電池片接收太陽光斑。如圖3b所示，當太陽處于東南方位時，其東面傳感器的電壓信號為

式中東為東面傳感器電壓信號，V。

安裝在粗跟蹤光電傳感器西面電池片由于無法接收到太陽光線直射，其電壓信號西≈0，這時粗跟蹤方位角電壓信號差東西≈東。由粗跟蹤方位角電壓信號差東西控制方位角推桿運行，使得角度逐步減小，當光線垂直粗跟蹤光電傳感器頂面時，東西=0，這時方位角推桿停止運動，實現太陽方位角的粗跟蹤定位。同理，可得太陽高度角的粗跟蹤定位。

當陰天時，太陽直射光比例很小，無法形成反射光斑，聚光架不啟動運行。方位角運行啟動閾值設為0東西，高度角運行啟動閾值設為0南北。

2.3 精跟蹤光電傳感器

粗跟蹤光電傳感器控制方位角推桿和高度角推桿運動過程中，太陽光經過平面鏡反射的聚光光斑隨之變化，當聚光光斑被精跟蹤光電傳感器檢測到，粗跟蹤光電傳感器把控制權限交給精跟蹤光電傳感器。聚光單元光路原理圖如圖4a所示，平面鏡2安裝在聚光鏡架1上，當太陽光豎直向下照射時，其光線反射到聚光電池板3。

由鏡面反射原理得出：入射光的偏離角度與反射光線的偏離角度相等[29]。如圖4b所示，當E點反射光線的偏離角度小于′時，聚光光斑被精跟蹤光電傳感器檢測到，進入精跟蹤環節。入射光偏離角度為

式中EF、EG、FG分別代表△EFG的三邊長度，mm。

當太陽偏東南方位時，安裝在西北方向的精跟蹤光電傳感器檢測到聚光光斑，安裝在東北、東南、西南方向的精跟蹤光電傳感器均無信號，此時聚光架須朝東南方向運動。當西北=東北時，方位角推桿停止運行；當西北=西南時，高度角推桿停止運行。此時，聚光架對準太陽，聚光光斑照射在整塊聚光電池組件上，實現太陽的精跟蹤定位。

如圖4b所示，隨著太陽運動，聚光光斑從F點移動到點，此時需要啟動驅動推桿跟蹤太陽，以保證聚光光斑鎖定在聚光電池板上，故精跟蹤光電傳感器的跟蹤精度為

式中HF為精跟蹤傳感器的寬度，mm；EF為聚光鏡面到電池組件左側的距離，mm。

1.聚光鏡架 2.平面鏡 3.聚光電池組件 4.精跟蹤光電傳感器

1.Condenser frame 2.Plane mirror 3.Concentrating cell components 4.Fine tracking photoelectric sensor

注：EF為聚光鏡面到電池組件左側距離，mm；EG為聚光鏡面到電池組件右側距離，mm；FG為聚光電池組件的寬度，mm；HF為精跟蹤傳感器寬度，mm；為入射光偏離角度，(°)；′為反射光偏離角度，(°)；為精跟蹤光電傳感器的跟蹤精度，(°)。

Note: EF is the distance from the condenser mirror to the left side of the battery assembly, mm; EG is the distance from the condenser mirror to the right side of the battery assembly, mm; FG is the width of the concentrating battery assembly, mm; HF is the width of the fine tracking sensor, mm ;is the deviation angle of the incident light, (°);′ is the deviation angle of the reflected light, (°);is the tracking accuracy of the fine tracking photoelectric sensor, (°).

圖4 聚光單元光路原理圖

Fig.4 Schematic diagram of light path of concentrating unit

2.4 控制電路

控制電路采用單片機Atmega32為核心的計算處理模塊，通過CD單端8通道數字控制模擬電子開關擴展其IO端口，其框架圖如圖5所示。信號調理電路采集粗跟蹤光電傳感器、精跟蹤光電傳感器和聚光電池組件溫度，生成標準信號傳輸給計算處理模塊；經計算處理，發出控制命令給驅動模塊，驅動方位角推桿、高度角推桿和電磁閥。保護模塊由驅動推桿超限保護、過流保護、控制電路板過熱保護、聚光電池組件溫度保護等組成。電源濾波電路輸出穩定的電源給信號調理電路和計算處理模塊。同時，設計按鍵模塊用于手動控制和參數設定；設計顯示模塊用于實時顯示運動過程和采集信號；設計通訊模塊用于遠程數據采集與控制。

2.5 控制流程

為了減小非工作時間聚光架的受力，在晚上或陰天控制方位角推桿和高度角推桿運動，把聚光架調到水平復位狀態。有太陽光照射時，粗跟蹤傳感器東、西、南、北四塊電池片的輸出電壓信號會不一致（東西>0東西或南北>0南北），光伏光熱一體機進入粗跟蹤程序，由方位角推桿和高度角推桿把太陽光聚集到聚光電池組件上，當精跟蹤光電傳感器檢測到聚光光斑，進入精跟蹤程序。跟蹤流程圖如圖6所示。

3 光伏光熱一體機研制

3.1 樣機試制

所研制4個聚光單元聯動的光伏光熱一體機如圖7所示，主要參數：長12 m×寬2.4 m×高2 m，每臺機組采光面積15 m2，理論聚光比=8.4，功率1 kW；粗跟蹤和精跟蹤傳感器所采用的太陽能電池片：尺寸40 mm× 20 mm，開路電壓2 V，短路電流60 mA。

1.聚光單元 2.聚光電池組件 3.方位角推桿 4.高度角推桿 5.方位角傳動長軸 6.高度角聯動架 7.粗跟蹤光電傳感器 8.精跟蹤光電傳感器

光伏光熱一體機粗跟蹤傳感器7安裝在聚光單元1的頂部，用于大范圍捕捉太陽方位角和高度角，根據粗跟蹤傳感器的信號差，由控制電路帶動方位角推桿3和高度角推桿4運動，通過方位角傳動長軸5和高度角聯動架6實現所有聚光單元1初定位；精跟蹤傳感器8安裝在聚光電池組件2的四個角上，當聚光光斑進入聚光電池組件2時，控制電路把控制權交給精跟蹤傳感器8，控制電路根據精跟蹤傳感器8的信號差帶動方位角推桿3和高度角推桿4運動，把聚光光斑實時鎖定聚光電池組件2上，實現太陽精確跟蹤。粗跟蹤傳感器7和精跟蹤傳感器8都是采用太陽能電池片制作的光電傳感器，性價比高。所研制的雙光電太陽跟蹤控制器形成閉環跟蹤太陽，可消除聚光架本身的傳動誤差，確保聚光器穩定、高精度跟蹤太陽。

3.2 樣機測試

3.2.1 試驗條件

時間：2018年7月11日7:00—18:00；地點：廈門（東經118.09°，北緯24.56°）；天氣：晴朗，對太陽進行跟蹤試驗。

3.2.2 測試方法

1）在方位角與高度角傳動軸上分別安裝角度傳感器（精度0.1°），每隔1 min采集一次一體機跟蹤太陽的方位角與高度角信息。2）一體機所發的電通過逆變器與電網相連，由逆變器直接測量一體機的發電量。3）將聚光電池組件集熱板進水口與自來水管相接，出水口接至熱水箱，在進出水口各裝有電磁閥，設定聚光電池組件溫度不低于 60 ℃打開電磁閥，溫度低于55 ℃關閉電磁閥，根據熱水箱所收集的熱水體積和溫升計算光熱效果。

3.2.3 測試結果分析

光伏光熱一體機當天發電量為3.94 kW·h，聚光電池組件溫度始終在53～60 ℃之間工作，收集光熱18.25 MJ（5.07 kW·h）。

精跟蹤光電傳感器光斑跑偏10 mm時，控制器驅動方位角推桿跟蹤太陽，精跟蹤傳感器到聚光鏡面的距離為120 cm，根據式（4）得≈0.48°。聚光架靜止時，隨著太陽運動，方位角誤差逐漸增大，當一體機跟蹤方位角與太陽方位角誤差′-<-時，啟動方位角推桿，此時方位角誤差逐漸變小直至等于0；隨著方位角推桿繼續運行，方位角誤差逐漸增大，直至′-≥，方位角推桿停止運行。同理，可得太陽高度角的跟蹤控制方法。

把跟蹤方位角和高度角試驗數據與天文算法理論[30]數據進行對比分析，繪制方位角和高度角跟蹤誤差如圖8所示。圖8a為全天太陽方位角跟蹤誤差圖，方位角跟蹤誤差小于0.5°。由于當天太陽方位角上午和下午變化緩慢，中午快速變化，方位角推桿運動頻率呈慢-快-慢，8:00—9:00和16:00—17:00時間段，方位角推桿約13 min運行一次，中午11:30—12:30時間段太陽方位角變化很大，方位角推桿頻繁驅動。太陽高度角誤差如圖8b所示，其跟蹤精度小于0.5°，高度角推桿運行時間間隔始終保持4～5 min/次。

3.3 中試電站

本項目籌建一個5 kW平板晶硅電站和一個5 kW光伏光熱一體機電站，如圖9所示。平板電站采用固定角度安裝5 kW太陽能電池板；光伏光熱一體機電站安裝4臺光伏光熱一體機，共使用0.64 kW聚光太陽能電池板和1.28 kW跟蹤太陽能電池板。與傳統的平板晶體硅電站相比，光伏光熱一體機電站減少了太陽能電池板，增加了聚光器、跟蹤系統和集熱裝置，制造成本基本持平。平板晶體硅電站與光伏光熱一體機電站所發的電通過逆變器與電網相連，由逆變器直接測量發電量；光伏光熱一體機所產生的熱水收集至熱水箱，根據熱水箱所收集的熱水體積和溫升計算光熱效果。

在廈門集美地區，通過一整年（2018年5月1日—2019年4月30日）的實際運行，平板電站發電量4 217 kW·h，一體機電站發電量4 331 kW·h，兩電站總發電量接近，一體機電站還收集15 923 MJ的光熱（由熱水收集系統計量）。由于精跟蹤傳感器直接采集聚光光斑信號，經計算處理后驅動高度角推桿和方位角推桿，跟蹤系統形成閉環控制，聚光光伏光熱一體機可消除機械變形引起的跟蹤誤差，該一體機實現了長期穩定運行。

4 結 論

本文研制光伏光熱一體機的雙光電跟蹤太陽控制器，實現一體機大范圍、精確跟蹤太陽，經過試驗測試表明：

1）通過粗跟蹤光電傳感器可實現大范圍（0°～180°）捕捉太陽位置，經控制電路驅動一體機的高度角推桿及方位角推桿，把聚光光斑定位在精跟蹤傳感器的接收范圍。

2）精跟蹤傳感器安裝在聚光電池組件的四個角上，跟蹤系統形成閉環控制，可消除聚光架本身的傳動誤差，把聚光光斑精確鎖定在聚光電池組件上，確保聚光器穩定、高精度跟蹤太陽，跟蹤誤差小于0.5°。

3）光伏光熱一體機可提高單位面積太陽電池板的發電量，并有效解決聚光電池組件的散熱問題，把無法轉化為電能的光熱儲存起來，獲得電能和熱能的雙重效益。

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Development of double photoelectric solar tracking controller for photovoltaic-thermal integration device

Huang Zhongming, Xu Zhilong, Li Huang

(,,361021,)

A concentrating Photovoltaic/Thermal (PV/T) integration device is normally confined to the mutual restriction of sun tracking accuracy and tracking range. In this study, a novel high-efficient solar tracking controller with dual-sensor joint control was designed to optimize the electrical and thermal performance of the PV/T system. The rough surface plane of glass was introduced to the PV/T integration device, where the sunlight was reflected to the concentrating cell components for multiple times concentrating, thereby increasing the power generation of solar cell per unit area. Part of concentrated light and heat was still collected, although the flowing water was cooling through the cells in the PV/T panel. A plurality of light-gathering units were fixed on the long axis of azimuth drive, while connected through the height angle linkage frame, for the tracking of sun azimuth via the azimuth push rod. A height angle push rod was used to push the parallelogram connecting rod for the height angle of the sun. The specific procedure was: 1) A power conditioning circuit was used to amplify small piece signals of the solar cell, and then to convert into a standard signal for a photoelectric sensor. Two sensors were used on the east and west frame to capture the azimuth angle of the sun whereas another two sensors were on the north and south for the altitude angle of the sun. Four photoelectric sensors were installed at the top of the light-concentrating frame on the side of a rectangular parallelepiped to form a rough tracking photoelectric sensor, where the condensed light spot was collected from the reflection of the plane mirror. Another four sensors were installed at the four corners of light-concentrating cell assembly for a fine tracking photoelectric sensor. 2) A single chip of Atmega 32 was selected as the core control circuit. The rough tracking photoelectric sensor was used to capture the position of the sun in a large range whereas the fine tracking photoelectric sensor was utilized to precisely locate the condensing spot on the entire photovoltaic panel. 3) A coordinated and stable performance of dual photoelectric sensors was achieved after the optimization of the tracking control strategy. Specifically, two parameters were optimized, including the tracking accuracy of the spotlight, and the driving frequency of the push rod. The angle sensors were installed on the azimuth and altitude drive shafts, where the azimuth and altitude tracking of the sun were collected per minute. A comparison was made on the theoretical and astronomical data. Furthermore, a dual photoelectric tracking sun controller for PV/T integration device was also tested in Xiamen City of South China (118.09°E, 24.56°N) on July 11, 2018. An optimal combination was obtained, where the sunlight was captured from 0°-180° with a tracking error of less than 0.5°. The movement of the angle push rod was slow-fast-slow, and the running time interval of the height angle push rod was always maintained at 4-5 min/time. The PV/T integration device generated 3.94 kW·h on the same day, and the working temperature of concentrating cell module was between 53-60 ℃. Light and heat of 18.25 MJ (5.07 kW·h) were collected, 1.29 times of photovoltaic effect.

solar energy; controller; light-concentrating unit; photovoltaic effect; photothermal effect; photoelectric sensor

黃種明，許志龍，李煌. 光伏光熱一體機的雙光電跟蹤太陽控制器研制[J]. 農業工程學報，2021，37(8)：236-241.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.027 http://www.tcsae.org

Huang Zhongming, Xu Zhilong, Li Huang. Development of double photoelectric solar tracking controller for photovoltaic-thermal integration device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 236-241. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.027 http://www.tcsae.org

2020-12-16

2021-04-02

國家自然科學基金（51676085）

黃種明，實驗師，研究方向為控制工程。Email：hzm0513@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.027

TK513.4

A

1002-6819(2021)-08-0236-06