太陽能單軸跟蹤結構和控制系統研究

張旭東，張 磊，楊林杰，曹延軍

(1.鄭州機械研究所有限公司，河南鄭州 450052；2.西安工程大學機電工程學院，陜西西安 710045)

太陽能無毒無污染零排放，是比較清潔的能源。目前使用廣泛的有四種太陽能光伏跟蹤裝置，包括水平單軸跟蹤、雙立柱斜單軸跟蹤、垂直單軸跟蹤和雙軸跟蹤[1-3]。一個設計合理的跟蹤裝置可以提高40%的光伏發電效率。文獻[4]以閾值角度為基本控制量，每步控制間隔均與太陽運行速度變化相關，雖能實現對日跟蹤，但控制過程過于頻繁，精度也有待提高。文獻[5]采用雙軸交替式余量型變頻跟蹤，以視日運動軌跡模型為基礎，光線與光伏組件平面法線的夾角為被控量，容許偏差角為衡量條件，實現雙軸對日跟蹤，但跟蹤精度有待進一步提高。針對上述問題，本文以太陽高度與光伏組件法線之間的夾角偏差為參考量，根據參考量確定高度角電機是否運動，設計了一種單軸跟蹤裝置和控制系統，致力于提高太陽能發電的效率。

1 高度角計算

計算某地太陽的位置也就是計算太陽對于地球上某點的相對高度角。該角度是由觀測點的地理緯度、季節(年、月、日)和時間三個因素來共同決定的[6-7]。通常以地平坐標系以及赤道坐標系同時表示太陽的位置，即以高度角h、赤緯δ和時間t表示[8]。利用已知數值以及球面三角形定理，可得出太陽高度角h的計算公式：

2 跟蹤裝置機械結構

2.1 光伏板支撐結構的設計

光伏板支撐結構包括兩個支持柱、一個橫軸、L 形支撐和支撐柱，如圖1 所示。支持柱的目的是將光伏板固定于其上，在其兩端各開一個通孔，通過螺絲將光伏板固定在其上，中間也開一個通孔。為了減輕整個支撐結構的質量，同時也應該具有一定的強度，支持柱選擇適當厚度中空的鋁管。L 形支架一端固定軸承座，另外一端跟支撐軸固定在一起。材料采用鋁合金，既輕便又滿足強度要求。橫軸上裝有軸承，橫軸可以旋轉，帶動光伏板擺動。支持柱與光伏板固定在一起，通過L 型支架，整個支撐結構固定在支撐軸上。

圖1 光伏板支撐結構

2.2 高度角跟蹤裝置的設計

高度角主要目的是使整個裝置能夠上下擺動，即裝置獲得高度角的變化，其應該有動力部分和合適的機械結構部分。該裝置主要包括橫軸、大齒輪、小齒輪、電機、皮帶、L 形支架、帶座軸承。橫軸主要作用是連接兩個支持柱，在兩端開有通孔，支持柱通過通孔從其中穿過。另外在通孔的垂直位置開有一個較小的通孔，這樣當二者裝在一起時，可以用螺絲穿過兩個通孔，這樣通過兩個自由度的限制將二者緊密相連。橫軸上開有軸肩，軸肩開在軸中心的一側。在裝配時，為了保證整個裝置的平衡性，故將整個軸的重心偏向一側。橫軸承受整個上部結構的質量，同時考慮加工的條件限制，所以本裝置選用實心的鐵棒。本文帶輪選擇材質為鋁質，型號為BF。大齒輪內徑17 mm，模數M=1，齒數60；小齒輪內徑為6.35 mm，模數M=1，齒數為30，都是帶擋邊。輪上開有M2 的通孔，固定此帶輪。相配合的帶型號為MXL，中心距為80 mm，帶寬為10 mm。

大小帶輪的設計傳動比是2。小帶輪為主動輪，固定在電機軸上，與電機軸采用間隙配合，基孔制，配合H7/h6。軸的公差等級為6，加工尺寸為孔的公差等級為7，加工尺寸大帶輪固定在橫軸上，大帶輪和軸仍然采用間隙配合，配合采用H7/h6，軸的公差等級為6，加工尺寸孔的公差等級7，加工尺寸

此處的L 型支架與圖1 中支架形狀類似，尺寸略不同。其應滿足一定的強度，保證電機能夠牢固固定和穩定運轉。電機通過一個底座與其固定，支架上開有M4 的孔，用來固定電機。整個高度角支撐和動力結構如圖2 所示。

圖2 高度角部分結構

2.3 跟蹤裝置的設計校核

高度角跟蹤裝置受光伏板、風力載荷的作用。高度角動力系統需要克服的載荷包括支架的摩擦阻力矩、風阻力矩、重力不平衡力矩和慣性力矩，跟蹤裝置的總力矩T見式(1)。

式中：Tm為旋轉支架摩擦阻力矩；Tw為坡阻力矩；Tn為重力不平衡力矩；Tg為慣性力矩，這里慣性力矩忽略不計。

光伏板的轉動是靠裝在支架上的KP003 的帶座軸承完成的，雖然滾動摩擦力比較小，向心軸承的徑向摩擦Tra就是Tm。

徑向軸承的摩擦阻力矩Tra為：

式中：Fx為徑向軸承承受的水平力，N；ux為徑向軸承的摩擦系數，ux=0.015～0.02；dx為徑向軸承的內徑，m。

帶入參數計算可得，摩擦阻力矩Tm=0.1 N·m。

由于光伏板面積比較大，所以不得不考慮風力載荷和風力，風力載荷力矩為Twi。

式中：Cm為方位力矩系數；Kh為風壓高度變化系數，在此取值1；q為風壓，q=v2/16，v為風速；A為物體垂直于風向的迎風面的面積，m2；D為迎風面高度，m。

風載荷作用于光伏板上的阻力為：

式中：Cx為風阻力系數。

設風速v=15 m/s，風阻力系數Cx=0.242 0，方位力矩系數Cm=0.139 2。光伏板整個面垂直于風的方向A最大，為了考慮實驗余量，A取最大值，A=0.34×0.41=0.139 4 m2。慣性力矩這里比較小忽略不計，帶入數據得Twi=0.1 N·m。

加在高度角軸上的力主要是光伏板的重力，高度角軸轉動的中心跟光伏板重心大部分時間不重合，就必然產生重力不平衡力矩。

重力不平衡力矩為：

式中：m為光伏板及其附件的質量，kg；Lmax為最大的不平衡力臂，m。光伏板及其附件結構質量為2.5 kg，Lmax最大為0.04 m。

經過計算Tn=0.98 N·m。摩擦力矩和風阻力矩帶入，經過計算T=1.18 N·m，據選用的電機傳動比為2，靜力矩為2.5 N·m，所以選用電機合適。

本文采用的是按照扭轉強度校核軸的強度，如果還受到不大的彎矩時，則用降低許用扭轉切應力的辦法予以考慮。在做軸的設計時，通常用這種辦法估計軸的軸徑，有時對于不太重要的軸，也可以作為最終的計算結果。軸上運行的功率為：

式中：P為功率；T=118 N·mm；n=37.5 r/min，得P=9.3×10-4kW。

初步估算軸最小直徑為：

式中：A0為按許用應力定的系數，帶入數據得最小直徑為3.27 mm。本文為了設計選材的方便，選用的最小直徑為17 mm。

經設計校核以后加工出來的結構如圖3 所示。

圖3 機械結構裝配圖

3 跟蹤控制系統設計

為了便于控制的實現，本系統設計了上位機和下位機軟件來實現對數據的接收處理以及發送。一個是在上位機使用的上位機控制界面，一個是在下位機OK6410 上使用的控制界面，如圖4 和圖5 所示。

圖4 上位機界面

圖5 下位機界面

首先將所有需要的信號采集到下位機，下位機對數據進行處理，將其顯示在界面、上傳給上位機、存儲、供跟蹤調取。啟動自動跟蹤就是光伏板按照設定好的程序運行，此處采用的辦法是設置一個定時器，在定時器里設置好能控制系統自動跟蹤的程序，當用戶點擊啟動自動跟蹤按鈕時，啟動該程序。定時器的主要作用是對比采集到的高度角與相應時刻的地理高度角，找到差值，然后將差值轉換成相應的脈沖，控制電機運轉正反轉，確保光伏板在正確的位置。本跟蹤系統利用的西安的地理經緯度對日進行跟蹤。當計算出了地理高度角，同時通過傳感器獲得了某一時刻的高度角，就需要將二者對比，實現對光伏板角度的校核。當然考慮到實現的智能化，將8：00—18：00 分成若干等份，每隔15 min 啟動一次跟蹤。跟蹤流程如圖6 所示。

圖6 智能跟蹤流程

4 實驗測試

單軸跟蹤系統硬件部分主要包括太陽能光伏板、太陽能光伏板支架、數據采集卡、OK6410、分流器、直流電壓變送器、直流電流變送器、Zigbee、高度角傳感器、電位器、電機、直流電源。圖7、圖8 分別為高度角跟蹤圖像以及誤差圖像，可以看出高度角在初始跟蹤處會產生較大的誤差，但是穩定產生的誤差基本在0.5°以內，由于系統設定的是0.5°才會啟動電機，所以從圖8 可以看出跟蹤十分精確。

圖7 5月27日高度角跟蹤值

圖8 5月27日高度角誤差值

本跟蹤系統設計的高度角需在29.5°以上，但冬天高度角變化不大，且值比較小，所以只取10：45 到13：45 的數據，從圖9、圖10 可以看出跟蹤結果比較精確，雖在13：00 處有一處明顯錯誤，但是不影響整體結果的準確性。

圖9 11月6日高度角跟蹤值

圖10 11月6日高度角跟蹤誤差

5 結論

本文通過對地理高度角的研究，總結其隨時間變化的特點，提出了基于地理高度角的間斷跟蹤方法；根據太陽能跟蹤實驗裝置的要求，設計了單軸跟蹤支架；完成了太陽能自動跟蹤上位機軟件以及下位機軟件設計，開展了對日跟蹤實驗。結果表明設計的結構和軟件系統能夠滿足跟蹤的要求，并具有較好的穩定性。