網絡控制太陽能光伏板隨動系統(tǒng)研究＊

韓 晨，閆振華

（1.新疆鐵道職業(yè)技術學院，新疆 烏魯木齊830011；2.新疆德創(chuàng)工控技術有限公司，新疆 烏魯木齊830011）

1 引言

太陽能光伏板對正太陽，發(fā)電效率才能最大。美國研究者通過實驗研究發(fā)現(xiàn)運行良好的太陽能隨動系統(tǒng)能使整個系統(tǒng)提高效率30%以上，HCPV系統(tǒng)[1]結合性能良好的隨動系統(tǒng)，發(fā)電效率必將大幅提升，當采用的聚光比為500倍、太陽光法線與菲涅耳透鏡中心軸線的夾角為0.5°時，發(fā)電效率將會下降20%，當偏差角達到1.2°時，發(fā)電效率將下降80%左右[2]。

然而，讓太陽能電池板時刻對正太陽的過程也需要消耗寶貴的能源，加之現(xiàn)有的太陽能隨動系統(tǒng)控制調整都有一定的延遲，感光元件和執(zhí)行機構易受風沙的污染而失效，人工清理維護耗時費力，大大增加了系統(tǒng)的運行成本，降低了可靠性。這種雙軸太陽能光伏板隨動系統(tǒng)能精確地執(zhí)行指令，并且簡單、可靠、節(jié)能、免維護。

2 雙自由度隨動系統(tǒng)

現(xiàn)有的太陽能隨動主要有主動式和被動式兩種。

主動式系統(tǒng)主要由測量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構三部分組成。測量系統(tǒng)必須暴露在外，很容易受風沙的污染而失效，而感光部件多為精密光電元器件，只能由人工清理，費用高而且清理效果難以保證，比較適合用于實驗室環(huán)境中。被動式系統(tǒng)直接執(zhí)行外來指令，系統(tǒng)簡潔可靠，但是控制精度受制于控制指令的編制水平。ABDALLAH等將太陽輻照計分別置于雙軸跟蹤和固定式的太陽能面板上，其中固定式太陽能面板朝南傾斜32°，然后測量太陽輻照的累計值，實驗數(shù)據顯示基于雙軸跟蹤的輻照接收量遠大于基于固定式的太陽能面板，可提高大約41.34%的太陽能接收總量[3]。

雙舵機隨動系統(tǒng)如圖1所示。這種雙自由度隨動系統(tǒng)使用2只舵機分別控制太陽能光伏板的方位角和高度角，其中垂直安裝的舵機控制方位角，水平安裝的舵機控制高度角，符合設計安裝調試的習慣，可應用于多種場景。

圖1 雙舵機隨動系統(tǒng)

舵機是一種簡易的伺服電機系統(tǒng)，結構可靠，價格相對低廉，控制容易，精度足夠。現(xiàn)有隨動裝置的機械加工和現(xiàn)場安裝誤差遠大于太陽位置天文算法的計算誤差，而這種雙舵機隨動系統(tǒng)垂直布置的舵機與底座上的鋼管通過所示的法蘭進行連接，鉛垂和正北刻線可在生產廠家完成整體安裝調試，對在現(xiàn)場安裝調試的工人的技術要求較低，容易保證安裝精度，鋼管內剩余空間可用于安裝信號接收裝置，簡潔美觀，對安裝現(xiàn)場的地形要求很低，只要能立得住一根鋼管的地方就可以安裝，水面灘涂時均可使用。

2.1 雙舵機隨動系統(tǒng)的設計難點

出于防風考慮，現(xiàn)有的隨動系統(tǒng)通常需要設計更加粗壯的支架和配重，增加了現(xiàn)場的安裝難度和系統(tǒng)的制造成本，而圖1所示的雙舵機隨動系統(tǒng)機械結構風格極簡，對現(xiàn)場安裝的要求最低，并且依靠網絡控制，可以根據天氣預報提前預警，采取最佳抗風姿態(tài)爭取極端天氣下的最大存活概率，還可降低對機械結構的強度、剛度要求，減少造價。

隨動系統(tǒng)的支座可采用薄壁空腔結構，在安裝現(xiàn)場填入砂土，減少運輸成本，支腿采用鋼管灌注混凝土的方法，可獲得良好的綜合機械性能，其頂端設有法蘭連接舵機。

舵機最初用于飛行器的姿態(tài)控制，結構輕盈堅固，外部全密封可有效抵御風沙侵襲，因其輸出扭矩大，PWM、PID控制技術方便可靠、技術成熟，所以，舵機也經常代替復雜昂貴的伺服電機和諧波減速器，組裝成各種機器人，在滿足設計精度要求的前提下獲得最佳的經濟性和可靠性。

舵機的輸出端采用蝸輪蝸桿機構，用以實現(xiàn)狀態(tài)自鎖功能，姿態(tài)調整完成即可給舵機斷電，不必全程耗電保持姿態(tài)，克服了現(xiàn)有控制系統(tǒng)全程耗電的弊端。

這種雙舵機隨動系統(tǒng)的擴展性極強，只需將太陽能光伏板換成反射鏡，而后更新控制參數(shù)，即可應用于聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)、聚熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽能自動補光系統(tǒng)和太陽能灶具中，無需做其他改動。

這種雙舵機隨動系統(tǒng)聯(lián)網之后，可隨時接收網絡數(shù)據鏈的即時指令，根據天氣預報或現(xiàn)場工作人員的實際觀測，實時向發(fā)電場所有的光伏板發(fā)出指令。

2.2 雙自由度隨動系統(tǒng)的技術要求

這種雙自由度隨動系統(tǒng)使用網絡數(shù)據鏈的即時指令解決了現(xiàn)有隨動系統(tǒng)調不準的問題，不受風沙污染和云層移動的干擾，在最優(yōu)數(shù)據方案的引導下，上午和下午以較慢的頻率調節(jié)，正午時分太陽光輸出功率最大時，以系統(tǒng)的最小分辨率精細調節(jié)，即發(fā)電能力低的時候少調粗調，發(fā)電能力強的時候多調精調，整個控制過程追求節(jié)能高產。繁雜的計算過程由后臺的計算機完成，運算結果通過網絡實時發(fā)給現(xiàn)場的執(zhí)行機構，再通過網絡校驗結果，可以大大提高系統(tǒng)的可靠性，解決現(xiàn)有隨動系統(tǒng)測不準、調不準的問題。

3 網絡數(shù)據鏈控制

目前控制參數(shù)主要有兩種方法：理論計算法可以應用于全球各地，但是控制精度難以保證，最終還是需要試驗法的驗證；試驗法的實時控制精度很高，但是試驗過程復雜，成本較高而且數(shù)據的可移植性較差。憑借網絡控制的執(zhí)行機構，得到了融合以上兩種方法優(yōu)點的解決方案。

文中雙自由度隨動系統(tǒng)中的舵機使用的PWM控制信號結構簡單，容易實現(xiàn)網絡傳輸，現(xiàn)有的大型太陽能發(fā)電場均已通網，使用網絡數(shù)據鏈對控制系統(tǒng)進行實時控制是大勢所趨。可以使用NREL的數(shù)據，將經緯度、海拔高度等數(shù)據輸入計算機，得到各個發(fā)電場自己的PWM控制信號，再利用萬能的網絡將最優(yōu)數(shù)據適時地傳遞給執(zhí)行機構，以取得最高的整體效率，并通過網絡將實時數(shù)據傳回網絡數(shù)據庫，分析計算后更新迭代數(shù)據，使之快速逼近最優(yōu)解。在不明顯增加其他成本的前提下得到最大的收益。

每個太陽能發(fā)電場設置自己的實驗裝置，實時監(jiān)控太陽的運行數(shù)據并利用網絡傳回數(shù)據中心的計算機驗證PWM控制信號的控制精度。

4 結論

這種雙自由度隨動系統(tǒng)結構簡單，性能可靠，安裝方便，采用網絡數(shù)據鏈控制技術可以實現(xiàn)遠程精確控制，控制策略隨時可調，方便靈活，利用數(shù)據反饋容易獲得最優(yōu)方案，控制精度高，可以為用戶提供最大輸出功率和減少運行維護費用，并對新電廠的規(guī)劃和建設提供決策參考。