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(shí)這些能源的使用給人類生存環(huán)境帶來(lái)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(yáng)能是最為引人注目的一種。而太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的重要方式，發(fā)展前景非常廣闊，成為未來(lái)解決能源危機(jī)的重要途徑。但太陽(yáng)能光伏發(fā)電存在的一個(gè)瓶頸問(wèn)題就是發(fā)電效率低，大大限制了太陽(yáng)能光伏發(fā)電的應(yīng)用和發(fā)展。目前，在太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。解決這一問(wèn)題的一種重要可行的途徑是進(jìn)行太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤。目前，我國(guó)大多數(shù)太陽(yáng)能陣列的安裝方式都采用固定式，這種方式安裝簡(jiǎn)單、維護(hù)方便，但是不利于太陽(yáng)能的收集過(guò)程，太陽(yáng)能的利用率較低。為了改變這一現(xiàn)狀，利用跟蹤式的太陽(yáng)能收集系統(tǒng)勢(shì)在必行。據(jù)相關(guān)科研機(jī)構(gòu)調(diào)查研究，采用自動(dòng)跟蹤式的太陽(yáng)能系統(tǒng)比固定式的太陽(yáng)能系統(tǒng)效率高35%左右。因此研究太陽(yáng)能的自動(dòng)跟蹤式發(fā)電系統(tǒng)具有重要意義[1]。

1 自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理

當(dāng)太陽(yáng)光線以不同的入射角投射到同一面積上時(shí)，所能收集到的能量有所不同。假設(shè)截面為1 m2的太陽(yáng)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(yáng)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(shí)，單位面積上的能量與面積成正比，所以以θ角入射時(shí)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(shí)，單位面積上的能量大約只有垂直投射時(shí)的1/12[2]。由此可見(jiàn)，太陽(yáng)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(shí)效率才最高。因?yàn)樘?yáng)在天空中的方位是不斷變化的，所以固定式太陽(yáng)陣列在一天當(dāng)中，只有一個(gè)時(shí)刻可以保證垂直入射，其它時(shí)間都是存在著太陽(yáng)輻射能量浪費(fèi)的情況。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

通常，太陽(yáng)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(yáng)的位置變化規(guī)律隨時(shí)間調(diào)節(jié)，以跟隨太陽(yáng)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(dòng)，將消耗大量的電能，同時(shí)，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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。間歇跟蹤方法為每隔一段時(shí)間，運(yùn)動(dòng)軸根據(jù)所檢測(cè)的太陽(yáng)的方位角和高度角調(diào)整一次跟蹤角，其余時(shí)間跟蹤角驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)固定不動(dòng)而形成的跟蹤方法[3]。間歇跟蹤方法一方面可以簡(jiǎn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)程序、太陽(yáng)軌跡跟蹤程序、計(jì)算機(jī)監(jiān)控中心。自動(dòng)跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)整體流程如圖1所示。其中，以計(jì)算機(jī)為控制核心，接收利用光電檢測(cè)模塊輸出的太陽(yáng)方位角信號(hào)，并結(jié)合太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角的理論值，控制雙軸跟蹤裝置中兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。

圖1 光伏發(fā)電系統(tǒng)自動(dòng)跟蹤裝置框圖

太陽(yáng)方位及光強(qiáng)檢測(cè)傳感器放置在太陽(yáng)電池板上，太陽(yáng)電池板安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)架上，傳感器與太陽(yáng)能面板保持平行，作為光電跟蹤系統(tǒng)的前端檢測(cè)部分，主要檢測(cè)太陽(yáng)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(jì)算機(jī)監(jiān)控中心，監(jiān)控中心根據(jù)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行天氣判斷和光電跟蹤。太陽(yáng)電池板的下方設(shè)置兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和相應(yīng)的減速傳動(dòng)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?jì)算結(jié)果傳給控制部分，這時(shí)控制部分就可以帶動(dòng)太陽(yáng)電池板做水平旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)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(jì)算機(jī)的計(jì)算能力來(lái)完成太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤的數(shù)據(jù)處理部分。整個(gè)系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集程序、太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤主程序、太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(yáng)方位檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)和光強(qiáng)檢測(cè)電路的輸出電壓信號(hào)經(jīng)A/D采集通道輸入到計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)采用相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)作進(jìn)一步的處理和分析。

圖2 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤主程序框圖

軟件的第二部分是太陽(yáng)自動(dòng)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(shí)間信息，以及系統(tǒng)所在地的經(jīng)度和緯度值，計(jì)算出當(dāng)天的日出和日落時(shí)間，根據(jù)日落時(shí)間來(lái)判斷是否滿足條件，然后打開太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(guò)程中，計(jì)算機(jī)對(duì)采樣到的光強(qiáng)檢測(cè)信號(hào)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(guò)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序和光電檢測(cè)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(yáng)方位跟蹤。陰雨天氣時(shí)，直接跳過(guò)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(shí)間，在進(jìn)行下一次跟蹤。在下一次跟蹤前，要判斷當(dāng)前時(shí)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(dòng)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(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序。該部分是整個(gè)程序的核心，需要根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)方式編寫出相應(yīng)的軌跡跟蹤算法，從而完成太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(shí)間、日期、當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度、天氣等信息來(lái)計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻太陽(yáng)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(shí)間間隔求出與上一次跟蹤時(shí)的太陽(yáng)高度角和方位角的變化值，用這個(gè)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(dòng)的脈沖數(shù)。然后，根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳送來(lái)的數(shù)據(jù)來(lái)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(lái)進(jìn)行太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式的確定，進(jìn)而帶動(dòng)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(gè)時(shí)間間隔是否需要進(jìn)行太陽(yáng)軌跡跟蹤變動(dòng)。程序中設(shè)置兩個(gè)表示太陽(yáng)方位角和高度角的閾值，并根據(jù)采樣到的太陽(yáng)方位檢測(cè)電路的輸出信號(hào)，計(jì)算出太陽(yáng)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(duì)值與閾值進(jìn)行比較，若均小于閾值，說(shuō)明太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)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(shuō)明需要根據(jù)偏移量來(lái)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(yáng)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(kù)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(yáng)電池板、太陽(yáng)方位檢測(cè)電路、光強(qiáng)檢測(cè)電路等對(duì)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(yáng)軌跡的跟蹤預(yù)測(cè)，與實(shí)際產(chǎn)生值相對(duì)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(yǔ)

本文通過(guò)分析天氣的具體情況，采用一種全新的光電跟蹤方式來(lái)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)電池板的自動(dòng)跟蹤模式。這種跟蹤方式是一種全天候的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方法。實(shí)驗(yàn)證明，該方法誤差較小，以該方法設(shè)計(jì)完成的自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)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(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D]．南京：南京理工大學(xué)，2012：17-20.

[2]靳志會(huì)．太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)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.