劉 嬌，曹曉麗，劉 揚(yáng)

(1.石家莊信息工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050035；2.石家莊工程職業(yè)學(xué)院，河北石家莊050000)

目前，在世界能源結(jié)構(gòu)中，人類主要利用的是煤炭、石油、天然氣等化石能源。然而由于這些能源的大量開發(fā)，已經(jīng)瀕臨枯竭，同時這些能源的使用給人類生存環(huán)境帶來了諸多不利的影響，因此人類大力開發(fā)新能源。在所有的新能源當(dāng)中，太陽能是最為引人注目的一種。而太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的重要方式，發(fā)展前景非常廣闊，成為未來解決能源危機(jī)的重要途徑。但太陽能光伏發(fā)電存在的一個瓶頸問題就是發(fā)電效率低，大大限制了太陽能光伏發(fā)電的應(yīng)用和發(fā)展。目前，在太陽能利用領(lǐng)域中，如何最大限度地提高光伏發(fā)電效率，仍為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問題的一種重要可行的途徑是進(jìn)行太陽自動跟蹤。目前，我國大多數(shù)太陽能陣列的安裝方式都采用固定式，這種方式安裝簡單、維護(hù)方便，但是不利于太陽能的收集過程，太陽能的利用率較低。為了改變這一現(xiàn)狀，利用跟蹤式的太陽能收集系統(tǒng)勢在必行。據(jù)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)調(diào)查研究，采用自動跟蹤式的太陽能系統(tǒng)比固定式的太陽能系統(tǒng)效率高35%左右。因此研究太陽能的自動跟蹤式發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義[1]。

1 自動跟蹤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理

當(dāng)太陽光線以不同的入射角投射到同一面積上時，所能收集到的能量有所不同。假設(shè)截面為1 m2的太陽光束以不同的入射角投射到平面上，如果光線垂直投射，入射角θ=0，包含在太陽光線里的能量分布在1 m2的面積上；如果入射角0<θ<90°，同樣多的能量分布在1/cosθm2的面積上；當(dāng)能量一定時，單位面積上的能量與面積成正比，所以以θ角入射時單位面積上的能量，只有垂直入射能量的cosθ倍。當(dāng)光線以85°角入射時，單位面積上的能量大約只有垂直投射時的1/12[2]。由此可見，太陽光入射角不同，收集能量的效率相差很大，只有在與接收面保持垂直投射時效率才最高。因?yàn)樘栐谔炜罩械姆轿皇遣粩嘧兓?，所以固定式太陽陣列在一天?dāng)中，只有一個時刻可以保證垂直入射，其它時間都是存在著太陽輻射能量浪費(fèi)的情況。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

通常，太陽跟蹤可以采用兩種方式，一種是連續(xù)跟蹤，另一種是間歇跟蹤。連續(xù)跟蹤方法為跟蹤角連續(xù)按照太陽的位置變化規(guī)律隨時間調(diào)節(jié)，以跟隨太陽運(yùn)行軌跡變化的控制方法。這種方法精確度高，但是電機(jī)的不停運(yùn)動，將消耗大量的電能，同時，機(jī)械轉(zhuǎn)軸磨損嚴(yán)重。因此，連續(xù)跟蹤方法并不適合用在太陽能發(fā)電系統(tǒng)。間歇跟蹤方法為每隔一段時間，運(yùn)動軸根據(jù)所檢測的太陽的方位角和高度角調(diào)整一次跟蹤角，其余時間跟蹤角驅(qū)動機(jī)構(gòu)固定不動而形成的跟蹤方法[3]。間歇跟蹤方法一方面可以簡化系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)，避免龐大的減速系統(tǒng)；另一方面還可以減少步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行次數(shù)，增加電機(jī)的運(yùn)行壽命，降低跟蹤運(yùn)動系統(tǒng)本身的能耗。所以本文采取間歇跟蹤方式構(gòu)建跟蹤系統(tǒng)。

光伏陣列運(yùn)動控制系統(tǒng)主要由五大部分構(gòu)成：完成跟蹤功能的機(jī)械設(shè)備、步進(jìn)電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序、太陽軌跡跟蹤程序、計算機(jī)監(jiān)控中心。自動跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)整體流程如圖1所示。其中，以計算機(jī)為控制核心，接收利用光電檢測模塊輸出的太陽方位角信號，并結(jié)合太陽運(yùn)動軌跡跟蹤模塊計算出太陽高度角和方位角的理論值，控制雙軸跟蹤裝置中兩個步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)自動跟蹤裝置框圖

太陽方位及光強(qiáng)檢測傳感器放置在太陽電池板上，太陽電池板安裝在轉(zhuǎn)動架上，傳感器與太陽能面板保持平行，作為光電跟蹤系統(tǒng)的前端檢測部分，主要檢測太陽在天空中的方位以及當(dāng)前環(huán)境中光線的強(qiáng)弱，得出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)送入計算機(jī)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)檢測結(jié)果進(jìn)行天氣判斷和光電跟蹤。太陽電池板的下方設(shè)置兩個步進(jìn)電機(jī)和相應(yīng)的減速傳動機(jī)構(gòu)作為跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，監(jiān)控中心的監(jiān)控程序?qū)⒊绦虻挠嬎憬Y(jié)果傳給控制部分，這時控制部分就可以帶動太陽電池板做水平旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。

3 系統(tǒng)軟件

本系統(tǒng)軟件部分的主要功能是利用計算機(jī)的計算能力來完成太陽自動跟蹤的數(shù)據(jù)處理部分。整個系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集程序、太陽自動跟蹤主程序、太陽運(yùn)動軌跡跟蹤程序、光電跟蹤程序。

軟件的第一部分是數(shù)據(jù)采集部分，主要完成的功能是將太陽方位檢測電路的輸出電壓信號和光強(qiáng)檢測電路的輸出電壓信號經(jīng)A/D采集通道輸入到計算機(jī)中。計算機(jī)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)來對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，然后對這些數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理和分析。

圖2 太陽自動跟蹤主程序框圖

軟件的第二部分是太陽自動跟蹤主程序。程序框圖如圖2所示。首先獲取系統(tǒng)當(dāng)前日期、時間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計算出當(dāng)天的日出和日落時間，根據(jù)日落時間來判斷是否滿足條件，然后打開太陽運(yùn)動軌跡跟蹤程序，讓跟蹤機(jī)構(gòu)處于基準(zhǔn)位置，當(dāng)跟蹤機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)自起始位置后，系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)。循環(huán)過程中，計算機(jī)對采樣到的光強(qiáng)檢測信號進(jìn)行分析處理，并判斷出當(dāng)天的天氣情況，分為晴天、多云和陰雨三種情況，通過對太陽運(yùn)動軌跡跟蹤程序和光電檢測跟蹤程序的不同調(diào)用，分別采取三種不同的工作模式進(jìn)行太陽方位跟蹤。陰雨天氣時，直接跳過跟蹤子程序，不進(jìn)行跟蹤，直到天氣好轉(zhuǎn)后再繼續(xù)跟蹤。

一次跟蹤后，程序要延遲等待一段時間，在進(jìn)行下一次跟蹤。在下一次跟蹤前，要判斷當(dāng)前時間是否在日落之前，如果是，則繼續(xù)跟蹤循環(huán)；反之，跳出跟蹤循環(huán)，并驅(qū)動裝置返回基準(zhǔn)位置，跟蹤系統(tǒng)停止工作。

軟件的第三部分是太陽運(yùn)動軌跡跟蹤程序。該部分是整個程序的核心，需要根據(jù)太陽運(yùn)動方式編寫出相應(yīng)的軌跡跟蹤算法，從而完成太陽運(yùn)動軌跡跟蹤的功能。編寫算法的主要思路為：首先根據(jù)數(shù)據(jù)采集部分收集到的時間、日期、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、天氣等信息來計算當(dāng)前時刻太陽高度角和方位角的理論值，并且根據(jù)這一數(shù)據(jù)，與上一次跟蹤時間間隔求出與上一次跟蹤時的太陽高度角和方位角的變化值，用這個變化值以及步進(jìn)電機(jī)的電氣特性推算出高度角電機(jī)和方位角電機(jī)需要轉(zhuǎn)動的脈沖數(shù)。然后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送來的數(shù)據(jù)來判斷跟蹤機(jī)構(gòu)是否處于基準(zhǔn)位置，并依據(jù)判斷結(jié)果來進(jìn)行太陽運(yùn)動軌跡跟蹤方式的確定，進(jìn)而帶動相應(yīng)電機(jī)進(jìn)行正確運(yùn)轉(zhuǎn)。

軟件的第四部分是光電跟蹤程序。主要的功能是確定在下一個時間間隔是否需要進(jìn)行太陽軌跡跟蹤變動。程序中設(shè)置兩個表示太陽方位角和高度角的閾值，并根據(jù)采樣到的太陽方位檢測電路的輸出信號，計算出太陽在方位角和高度角方向上偏移量。然后，分別將偏移量的絕對值與閾值進(jìn)行比較，若均小于閾值，說明太陽運(yùn)動軌跡跟蹤的積累誤差比較小，不需要進(jìn)一步的跟蹤，結(jié)束子程序；反之，說明需要根據(jù)偏移量來控制相應(yīng)的電機(jī)向?qū)?yīng)的方向旋轉(zhuǎn)一定角度，進(jìn)行太陽陣列方位角及高度角的調(diào)整。

系統(tǒng)的軟件部分采用Visusl C++作為開發(fā)工具，SQL Server2005作為數(shù)據(jù)庫支撐系統(tǒng)，并采用相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)硬件，如模擬跟蹤裝置、PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、太陽電池板、太陽方位檢測電路、光強(qiáng)檢測電路等對軟件部分進(jìn)行調(diào)試和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)太陽軌跡的跟蹤預(yù)測，與實(shí)際產(chǎn)生值相對比，誤差較小。如果排除了機(jī)械特性誤差之外，跟蹤效果比較理想。

4 結(jié)語

本文通過分析天氣的具體情況，采用一種全新的光電跟蹤方式來實(shí)現(xiàn)太陽電池板的自動跟蹤模式。這種跟蹤方式是一種全天候的太陽自動跟蹤方法。實(shí)驗(yàn)證明，該方法誤差較小，以該方法設(shè)計完成的自動跟蹤式獨(dú)立太陽能發(fā)電系統(tǒng)能夠基本滿足系統(tǒng)提出的技術(shù)指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對太陽的自動跟蹤，能夠保證用電負(fù)載連續(xù)穩(wěn)定地工作。

[1]彭春明．基于嵌入式的光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計[D]．南京：南京理工大學(xué)，2012：17-20.

[2]靳志會．太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計及運(yùn)行分析[D]．河北：河北工業(yè)大學(xué)，2011：30-35.

[3]徐靜．自動跟蹤式獨(dú)立太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)研究[D]．杭州：杭州電子科技大學(xué)，2009：60-65.