太陽能跟蹤控制系統的設計與應用

莊建銓

（汕頭大學醫學院附屬腫瘤醫院，廣東汕頭 515000）

0 引言

隨著世界經濟的高速發展，以及人口的不斷增多，人類對能源的需求日益增加，年增長率達到了5%～6%。而傳統的化石能源都是不可再生能源，正在日趨枯竭，所以整個世界正面臨著巨大的能源危機；此外，煤炭、石油和天然氣等常規能源在使用過程中會嚴重污染環境（如，溫室效應、酸雨等），嚴重影響了人類的生產生活。研究、開發與利用既清潔又可再生的新能源，已越來越得到各國的重視。

新能源一般指在新技術基礎上加以開發利用的可再生能源（包含了風能、太陽能、地熱能、波浪能和潮汐能等）。而太陽能以其廣泛性、持久性等眾多的優點脫穎而出，被世界公認為最有發展前景的新能源之一［1-5］。太陽能板外景如圖1所示。

圖1 太陽能板外景

太陽光可以照射到地球的每個地方，所以太陽能的分布范圍相當廣泛。太陽能的儲量也是近乎無窮的，地球表面每年接收的太陽輻射能約相當于130萬億噸煤，是當今世界上可以開發利用的最大能源［6-8］。另外，按照太陽產生的核能速率來進行估算，氫的貯量足以維持上百億年之久，然而地球的壽命也只是約為幾十億年，從此意義上來說，太陽的能量是用之不竭的。同時，太陽能的利用是安全可靠、清潔干凈的，且不產生污染物。

我國地大物博，太陽能資源豐富。十一五以來，我國根據能源發展現狀以及和諧環境發展中出現的問題，已經開展了眾多舉國政策，來鼓勵幫助各大中型企業開發利用環保、節能、循環、綠色新能源［9-12］。在有關政策的大力支持下，2021年，我國新增光伏發電并網裝機容量約5 300萬kW，已連續9年居世界首位。今后太陽能的開發和利用，必是我國能源發展的重要方向之一。

盡管太陽能有著這么多的優點，然而在其有效利用上仍然存在著許多不足。

（1）不穩定性：由于受到地理緯度、季節、晝夜、海拔高度等許多自然條件的限制，以及陰晴、云雨等隨機因素的影響，所以，到達某一地面的太陽輻射度是間斷的，同時也非常不穩定，這給該能源的大規模應用帶來了難度。為了穩定地利用太陽能，必須解決蓄能的問題，這也是制約太陽能利用的問題之一。

（2）分散性：能流密度很低。比如，在北回歸線附近，夏季天氣晴朗時，正午太陽輻射的輻照度是最大的，在垂直于太陽光方向1 m2面積地面上接收到的太陽能平均有約1 000 W；但若按全年日夜平均，則只有約200 W。如果再考慮到冬季的輻射強度為夏季的約一半，陰天一般只有約晴天1／5等，算得的能流密度是很低的［13］。

（3）經濟性：因為太陽能利用裝置成本較高、效率偏低等問題，其經濟性還不能跟常規能源競爭［5］。

可見，為了科學合理地發展光伏發電產業，提高太陽能發電效率是十分重要的。而太陽能跟蹤控制系統就是能有效提高太陽能利用率的方法之一。太陽能跟蹤控制系統能實現最大限度地獲得輸出功率。通過跟蹤太陽光直射方向，系統在不同時間、地點能夠自動控制太陽能電池板的方向、角度，使電池板接收到盡可能多的太陽輻射，進而提高輸出功率。由相關理論分析可知，通過實施此方法，可有效提升太陽能電池的發電效率達20%以上。

1 控制系統原理

國內外目前的太陽能跟蹤裝置，根據它的工作原理可以大致分為以下兩大類：光電跟蹤法——基于能量的跟蹤方法；運動軌跡跟蹤法——太陽運行軌跡跟蹤法。本文將詳細分析“運動軌跡跟蹤法”，并用此分析法來設計跟蹤控制系統。

1.1 光電跟蹤法

光電跟蹤法是應用光敏元件來實現對太陽位置的定位、跟蹤。當太陽光板傾斜射入集熱板時，集熱器板上的光敏元件會因太陽光的斜射角度不同反饋不同的信號偏差，利用此偏差值來調整集熱器板，直到偏差為零。光敏元件雖然靈敏度高，但受天氣影響較大，導致陰雨天系統跟蹤太陽的效果較差，還可能引起機械傳動裝置的誤動作［8］。

1.2 運動軌跡跟蹤法

運動軌跡跟蹤法是通過太陽位置的變化規律來建模，繼而制定跟蹤方案，并通過驅動裝置來調整太陽能電池板的方向、角度，使板面與陽光直射方向相垂直（即，提高太陽輻射度），提高光能采集率，進而提高輸出功率［14-18］。

太陽方位模型如圖2所示，對其分析如下。

圖2 太陽方位模型

太陽的位置，可由太陽高度角αs、太陽方位角γs來確定。αs為太陽俯仰角（0°≤αs≤90°），即太陽光線與地表水平面之間的夾角；γs為太陽光在地面上的投影線與南北方向線的之間夾角。高度角αs、方位角γs可由天文公式計算得出：

式中：φ為當地地理緯度角，可由GPS等精密導航儀獲得；δ為太陽的赤緯角，即太陽光線與地球赤道面交角，δ不是固定值，其值隨季節變化而改變，春分時δ＝0°，夏至時δ＝23.5°，秋分時δ＝0°，冬至時δ＝-23.5°；n為一年中的日期號，如設1月1日這一天n＝1，之后每隔1天就加1；ω為時角，由當地時間確定。

日常生活時間采用平均太陽時t（北京時間）。t0則為真太陽時的時差，通過下式計算：

σ是當地地理經度角。如，中國汕頭的經度為117°。e為時差t0，可由下式得出：

日出和日落時，太陽的高度角αs＝0°；由式（1）可以求出太陽時角ω，計算得出的ω正值是上午的日出時角，負值是下午的日落時角。計算式（4）的t求出日出時間t1和日落時間t2。

由式（1）～（7）可計算出某地區的太陽在不同時間的實際位置［19］（即算得αs、γs、δ各值）。

2 系統機械結構

本系統主體機械結構如圖3所示，由太陽能電池板、底座、連接桿、減速電機1、蝸桿1、齒輪1、減速電機2、蝸桿2、齒輪2組成。

圖3 機械結構傳動示意圖

通過減速電機1的轉動，帶動蝸桿1同步轉動，進而驅動齒輪1轉動，實現太陽能電池板高度角αs的調整；同理，通過減速電機2的轉動，帶動蝸桿2同步轉動，進而驅動齒輪2轉動，實現太陽能電池板方向角γs的調整。

在PLC程序中用前述的運動軌跡跟蹤跟蹤法，算出太陽高度角αs、方位角γs后，結合齒輪比，PLC就能通過運動模塊控制伺服放大器來驅動減速電機（減速電機采用伺服型電機）轉動。實現對電池板的高度角、方位角的調整，使電池板正對太陽，實現最大的光能輻射采集。

3 系統電氣控制

控制系統采用三菱Q系列PLC控制系統，結構示意圖如圖4所示。該PLC具有的功能：（1）強大的運算指令功能，且能計算復雜的三角函數運算，可滿足太陽運行軌跡跟蹤的天文學公式的計算；（2）通過以太網模塊鏈接上位機和觸摸屏，接收系統所在的地理坐標、實時時間等信息；（3）PLC中的QD75伺服運動模塊能控制兩臺伺服電機精確轉動來控制電池板調整高度角、方位角［20-23］。

圖4 控制系統結構示意圖

結合上文的太陽方位計算公式，編寫PLC程序，如圖5所示。當上位機通過以太網傳遞當地的實時時間、經緯度信息給PLC，PLC就能計算出太陽的實時位置，進而控制QD75模塊輸出準確的脈沖數給伺服放大器來準確運轉電機轉動，電機通過齒輪傳動系統就能精確調整電池板的高度角、方位角，來提高電池板的太陽輻射采集率，提高輸出功率。

圖5 程序控制流程

4 應用效果分析

選取性能參數相同的兩塊太陽能電池板進行為期1周的對照試驗：太陽能電池板1安裝在太陽能跟蹤控制系統的機械結構上（圖3），太陽能電池板2按正午時電池板接受到太陽輻射最大的角度固定安裝。每日實驗從早上6點開始到下午6點結束，每隔1 h對兩塊電池板的輸出功率進行采樣記錄，并將一周的實驗中每天相同時刻的輸出功率記錄數據求平均值，將記錄的數據進行描點繪圖，得到圖6所示的輸出功率分時數據圖。由實驗可知，（電池板1的每1 h輸出功率記錄值的總和）／（電池板2的每1 h輸出功率記錄值的總和）＞120%，即電池板1綜合輸出功率是電池板2綜合輸出功率的1.2倍以上。所以，太陽能跟蹤控制系統能有效提高電池板的光伏采集率，進而提高輸出功率。

圖6 電池板輸出功率分時數據

5 結束語

本文通過對天文學的知識的運用（球面天文學和立體幾何學原理），并導入當地經緯度、時間信息，來推導太陽的位置的函數關系式，計算得出太陽的實時位置。并設計了太陽能跟蹤控制系統，用PLC結合所得算法，在軟件中計算得出太陽位置，驅動機械結構傳動來跟蹤太陽。使該控制系統能在不同時間、地點自動控制光伏電池板的方向、角度，來接收到更多的太陽輻射，進而提高輸出功率。

本文雖然實現了預期的控制要求，但是由于時間和能力水平的限制，還存在不少需要改進和完善的地方：（1）建模所得的太陽位置數據跟具體實際仍有一定偏差，需與具體的數據對比，引入偏差分量來得到更準確的太陽位置，從而更好地完成跟蹤；（2）控制系統常年放置在室外，通常室外環境較為惡劣，所以在系統設計中還需引入風力保護措施（加裝風力風向傳感器分析采風結構受力模型，來設計風力保護措施）。