高建軍

【摘 要】太陽能是當今應用最為廣泛的清潔可再生能源，但是傳統(tǒng)的固定太陽能光伏發(fā)電效率較低，無法滿足當今人們用電需求，在此背景下相關行業(yè)也提出了太陽能光伏自動跟蹤發(fā)電系統(tǒng)。基于此，本文重點探究當今太陽能光伏發(fā)電跟蹤方式，并提出相應的系統(tǒng)設計方法。

【關鍵詞】太陽能光伏發(fā)電；自動跟蹤；控制系統(tǒng)；類型；設計

隨著我國社會經濟不斷發(fā)展，工業(yè)生產水平不斷提升，社會生產對電能的需求量也不斷提升。眾所周知，傳統(tǒng)發(fā)電會產生大量的粉塵、廢氣，對自然環(huán)境造成了嚴重的影響，而太陽能作為一種可再生的清潔能源，取之不盡用之不竭，在當今發(fā)電領域的應用十分廣泛。光伏發(fā)電（如圖1）主要利用了熱能、光能轉換，可以將太陽光轉化為電能（采用PN結電場效應發(fā)電）。當今光伏電池有很多種類，制作工藝也不盡相同，但是光伏發(fā)電的原理相同。光伏電池發(fā)電效率與太陽光照強度、電池溫度、光伏分布有著直接關系。但是傳統(tǒng)的固定光伏發(fā)電系統(tǒng)由于是被動接收太陽光，因此發(fā)現效率無法保障。自動跟蹤控制系統(tǒng)可以跟隨太陽進行角度轉換，時刻都可以接收太陽直射，大大提高了太陽光的接收效率。因此，加強太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)的研究有著重要意義。

一、太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤形式

為了能夠提高光伏發(fā)電效率，有關部門也加強了跟蹤控制系統(tǒng)的研究，并提出了多種方法，通過對這些方法進行調研發(fā)現，當今最為理想的兩種形式分別為光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤兩種，其主要表現在：

（一）光電跟蹤

光敏管可以直接感應太陽光的強弱，因此可以將光敏管安裝到光伏電池的兩側，在太陽光射入到光伏電池板上時，所產生的實際電能會與事先設定的閾值范圍進行對比，如果在閾值范圍內，則表示光照效果較好，不需要調整電池板的方向。但太陽光會隨著地球轉動發(fā)生角度變化，電池所生產的電能也會隨之減少，導致實際生產電能小于閾值范圍【1】。此時光敏管就會放大電信信號，控制裝置自動捕捉光照更強的角度，確保電池板和太陽光處于相對垂直的狀態(tài)（直射）。

雖然光電跟蹤的設計更加便捷、原理簡單，但是也會受到自然條件的影響，如果是在晴天，可以根據太陽光射入角度強弱進行角度判定，從而保證發(fā)電質量，但是到了陰天或多云天氣，由于電池板所產電能變少，再加上光敏管無法接受到強光，因此無法自動啟動控制裝置。

（二）太陽運動軌跡追蹤

太陽的升起和降落都有章可循，結合當地的氣候特點和季節(jié)特點，即可掌握太陽運動軌跡，通過在電池板上設置控制程序，根據太陽運動軌跡即可實現追蹤。如果是在多云、陰天的情況下，也會按照事先設定的運動規(guī)矩進行調整。該形式可以劃分為單軸、雙軸跟蹤方法。其中，單軸以焦線為軸心，并沿著焦線垂直方向移動，可以實現雙向追蹤；雙軸可以實現高角度、多方位跟蹤，采用水平、垂直兩個轉軸共同組成，內部結構更加復雜一些【2】。但由于我國大部分地區(qū)都處在亞熱、溫帶地區(qū)，太陽高度和照射時間也會因季節(jié)出現變化，無論是單軸還是雙軸，都需要隨著季節(jié)變化進行調整。

（三）對比分析與設計思路

通過上述介紹可知，兩種形式在實際使用當中都存在著明顯的優(yōu)劣勢，因此都不符合最終的設計標準，為了能夠更好的獲取太陽能，可以將兩種追蹤形式相結合。也就是在太陽光充足時采用光敏管方法，如果天氣惡劣，沒有充足的太陽光時采用太陽運動軌跡追蹤方法，這樣即可在任何天氣狀況下最大效率的接收太陽光。

二、太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計

（一）設計原則

應用太陽能光伏發(fā)電設備的最終目標是提高自然清潔能源的利用率，并且在保障經濟效益的基礎上節(jié)省人力資源。所以在跟蹤控制設計當中需要保障整個系統(tǒng)具備足夠的拓展空間，充分考慮光伏電池體積、數量上的變化等，在平臺設計當中為未來發(fā)展提供一定的冗余。再者，在標準接口上采用軟件功能接口預留方法，以便于二次開發(fā)。為了確保跟蹤系統(tǒng)在未來使用中的靈活性，系統(tǒng)設計最好是采用模塊化設計形式，同時也可以保證整個系統(tǒng)架構的標準性、清晰度，確保整個設計系統(tǒng)的合理性和科學性。

（二）硬件設計

將自動跟蹤系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制單元，各種傳感器安裝到設備上為自動調控提供相關資料，包括GPS定位器、GPS接收器、入射角傳感器、磁傳感方位器、風向傳感器等。各類傳感器會不斷收集太陽光數據信息，并最終傳輸到控制單元中進行運算，在運算完畢后即可發(fā)出指令控制單片機，系統(tǒng)自動傳動電機，確保太陽能電池板與太陽光處在最佳位置（角度）。具體的設計流程為：入射角、風力、光強、風向傳感器會將相關信息傳輸到單片機模塊當中，和磁傳感器、GPS設備接受數據共同傳輸到控制單元中。在控制單元當中對所捕獲的數據進行處理，之后控制驅動裝置和單片機，根據各項采集信息數據調整入光角度。雖然整個流程看似繁瑣，但是在實際操作中只需要不到0.2s的時間。

（三）軟件設計

在軟件設計當中，首先要進行定位處理，也就是明確太陽能電池板的所處位置，并將程序初始化。時刻關注光敏管的運行狀態(tài)，結合天氣情況顯示狀態(tài)判定選擇哪種跟蹤形式（光電跟蹤還是運行軌道跟蹤）。但是無論是采用哪種太陽光跟蹤方法，都要保證系統(tǒng)能夠準確跟蹤太陽的運動位置，這樣可以及時控制電機轉動，保證電池板時刻都處于最佳位置。并通過光感器測量太陽強度，由于夜晚光照要比陰天下雨光照低非常多，因此可以設置夜晚自動閉合跟蹤系統(tǒng)，電池板轉動會自動還原到初始狀態(tài)。待到第二天天亮，或光照度達到了自動運行閾值時，會自動開啟跟蹤功能【3】。實現全天自動化太陽光跟蹤運行模式。

（四）自動調節(jié)功能設計

為了減少對人力資源的使用量，針對每天天氣狀況的差異性，所以要提出自動調節(jié)功能，在系統(tǒng)設計當中要充分認識到各個傳感器功能設定。而想要實現精準自動化調節(jié)，需要傳感器結合當地天氣實際情況提供更加精準數據信息，所以要事先對傳感器性能、精度進行檢查。如是否存在遮擋太陽光的大片烏云、大風天氣是否會影響光伏板角度等。風速傳感器就是在風力達到臨界值時，控制電機自動轉動，而保障光伏板和風向保持（相對）平行狀態(tài)，這樣可以避免風力過大造成光伏板損壞，讓其所受到的風力達到最小，待到風力低于閾值時，即可自動調整為與太陽光相垂直的狀態(tài)。也可以設定信號采集時間，如每隔30min采集一次信息，如果在天黑，因為太陽光非常弱，無法收集太陽光，或者大風可能影響光電板安全，即可自動停止工作，并自動收回光伏板裝置。

三、結束語

綜上所述，合理利用太陽能資源可以降低傳統(tǒng)資源的依賴性，為節(jié)約地球不可再生能源提供相應的支持。新時期下，太陽能領域重點研究的方向就是如何提高光能收集率。本文提出了自動跟蹤控制系統(tǒng)，在設計當中需要重點考慮機機械結構以及傳感器布置，通過融入多任務設計模式，如感應光照、風力等，優(yōu)化了自動跟蹤系統(tǒng)功能，從而最大化發(fā)揮太陽能光伏發(fā)電設備的積極作用。

【參考文獻】

[1]羅金玲. 太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J]. 物聯(lián)網技術， 2015， 5（12）：70-71.

[2]張建波， 殷群. 嵌入式太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J]. 桂林電子科技大學學報， 2010， 30（3）：247-249.

[3]劉晶晶， 花燚， 廖長榮. 基于單片機的太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J]. 科學技術創(chuàng)新， 2016（31）：73-74.