楊 斌，郭敏強(qiáng)，韓立立，焦志勇

（中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266580）

面對(duì)日益嚴(yán)重的能源危機(jī)，世界各國(guó)都把眼光瞄準(zhǔn)了可再生能源的開發(fā)利用，尤其是太陽能產(chǎn)業(yè)以其綠色、無污染和永久可持續(xù)性備受青睞，存在無限廣闊的發(fā)展前景。太陽能因其儲(chǔ)量的無限性、輻射的普遍性、利用的清潔性和經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，成為人類解決能源危機(jī)的重要途徑，世界各國(guó)均大力扶持太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。然而，單結(jié)太陽能電池的最大轉(zhuǎn)化率僅為31%，而一般位于屋頂或日常消費(fèi)產(chǎn)品中的太陽能電池的轉(zhuǎn)化率僅為18%，研制高效的、成本合理的太陽能電池是全球共同面臨的巨大挑戰(zhàn)[1，9]。

通過機(jī)械設(shè)計(jì)提高太陽光的采收率可以在現(xiàn)有基礎(chǔ)上更大程度的利用太陽能。目前，太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)多采用視日軌跡跟蹤、光電跟蹤以及兩種結(jié)合的方式[2，8]。然而這幾種方式都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，在一定程度上限制了太陽能的利用率。本文介紹了一種利用變頻器控制異步電機(jī)轉(zhuǎn)速的跟蹤方法，既達(dá)到自動(dòng)跟蹤的效果、提高跟蹤精度，又節(jié)省了在跟蹤過程中系統(tǒng)所用的電能。

1 常見跟蹤方式簡(jiǎn)述

視日軌跡跟蹤，是根據(jù)在確定的位置太陽角度隨時(shí)間變化的規(guī)律，確定不同時(shí)間太陽所在位置，然后運(yùn)行控制程序使裝置對(duì)準(zhǔn)太陽光線。然而，此方法存在地域的局限性，即一旦換在另一個(gè)地方，太陽角度隨時(shí)間變化的規(guī)律便不相同，這樣就需要重新確定太陽運(yùn)動(dòng)軌跡、編寫控制程序，后期運(yùn)行麻煩較多，而且一旦遇到陰雨天氣，它仍會(huì)繼續(xù)跟蹤，造成電能的浪費(fèi)[3]。

光電跟蹤，使用光敏管，將兩個(gè)光敏管分別置于光伏電池陣列平面的兩個(gè)點(diǎn)上，當(dāng)太陽光線直射光伏陣列時(shí)，若光敏管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后的數(shù)值偏差在規(guī)定范圍內(nèi)，即兩個(gè)測(cè)試點(diǎn)光強(qiáng)信號(hào)的偏差很小，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。但隨著太陽的位置發(fā)生變化，光敏管檢測(cè)到的電信號(hào)偏差逐漸增大而超出了規(guī)定范圍，經(jīng)放大電路將偏差信號(hào)放大，控制跟蹤裝置產(chǎn)生動(dòng)作而重新使光伏陣列與太陽光線保持垂直，對(duì)準(zhǔn)太陽，完成跟蹤。但有一個(gè)缺點(diǎn)就是受天氣的影響較大，如果在稍長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)烏云遮住太陽的情況，由于沒有光照，光敏管上沒有電信號(hào)產(chǎn)生，導(dǎo)致跟蹤裝置無法對(duì)準(zhǔn)太陽，甚至?xí)饒?zhí)行機(jī)構(gòu)的失誤操作。而且在跟蹤過程中由于電機(jī)轉(zhuǎn)速控制不當(dāng)有可能會(huì)出現(xiàn)跟蹤偏差[4]。

視日軌跡跟蹤和光電跟蹤結(jié)合的跟蹤方式雖然在一定程度上可以避免上述缺點(diǎn)，但無法從根本上克服，仍存在很多問題。本文介紹的基于變頻器的太陽能自動(dòng)跟蹤裝置具有視日軌跡跟蹤以及光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者的一些缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了更精確的跟蹤，進(jìn)一步提高了太陽能利用率。

2 變頻器工作原理

變頻器的組成主要包括控制電路和主電路兩個(gè)部分，如圖1所示。其中主電路還包括整流器和逆變器等部件，工作原理是通過控制電路來控制主電路，主電路中的整流器將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姡绷髦虚g電路將直流電進(jìn)行平滑濾波，逆變器最后將直流電再轉(zhuǎn)換為所需頻率和電壓[5]，再讓它與異步電機(jī)相連，從而可以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速[6]。變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速的主電路圖如圖2所示[7]。

圖1 變頻器基本結(jié)構(gòu)圖

圖2 變頻器調(diào)速系統(tǒng)的主電路

控制電路是給主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。

（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。

（2）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。

（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。

（4）速度檢測(cè)電路：以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。

（5）保護(hù)電路：檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。

3 跟蹤裝置設(shè)計(jì)

該裝置主要有以下幾個(gè)部分組成，變頻器、機(jī)械裝置，光電轉(zhuǎn)換裝置、太陽能電池板，實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路等，如圖3所示。變頻器接收來自實(shí)時(shí)時(shí)鐘和光電轉(zhuǎn)換裝置的兩個(gè)信號(hào)，進(jìn)行處理和判斷，從而決定系統(tǒng)的工作狀態(tài)，具體工作方式如下。變頻器先通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘的信息粗略判斷，在夜間關(guān)閉系統(tǒng)，停止跟蹤；在白天，系統(tǒng)的工作狀態(tài)再由光電轉(zhuǎn)換裝置提供的信號(hào)來決定。對(duì)于光電轉(zhuǎn)換裝置，系統(tǒng)設(shè)置一個(gè)啟動(dòng)的最低信號(hào)值，在陰雨天氣，此時(shí)感光裝置接收的信號(hào)較低，當(dāng)信號(hào)低于系統(tǒng)啟動(dòng)的最低值時(shí)，系統(tǒng)關(guān)閉。這樣就可以避免視日軌跡跟蹤遇到陰雨天氣仍會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的缺陷，節(jié)省了電能。若感光裝置接收的信號(hào)高于系統(tǒng)啟動(dòng)的最低值，說明此時(shí)有陽光，系統(tǒng)啟動(dòng)，再次讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的時(shí)間信息，變頻器根據(jù)太陽角度隨時(shí)間的變化規(guī)律判斷此時(shí)太陽應(yīng)處的方位，控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使電池板大致朝向了垂直太陽光的方向；然后，在一定范圍內(nèi)逐漸改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，并讀取不同方向光電轉(zhuǎn)換裝置的信號(hào)值，將不同方向感光裝置獲得的信號(hào)值進(jìn)行對(duì)比，找到一個(gè)最大值，即此時(shí)太陽能電池板與太陽光線垂直，完成跟蹤。在通常的跟蹤方式中，電機(jī)工作時(shí)處于短期重復(fù)狀態(tài)（開／停），這樣勢(shì)必帶來啟動(dòng)頻繁、噪聲大、電機(jī)壽命短、溫度穩(wěn)定性差以及能耗高等一系列弊端。而變頻器通過提高載波頻率、和電機(jī)間加上濾波器可以達(dá)到減震的效果，避免這些弊端，具有節(jié)省電能、延長(zhǎng)壽命、靜音化等優(yōu)點(diǎn)。

圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

變頻器選擇ABB變頻器ACS800，其中控制芯片為8位單片機(jī)，時(shí)鐘芯片為PCF8563I2C實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片，輸入顯示控制芯片為HD7279A串行接口8位LED數(shù)碼管及64鍵鍵盤智能控制芯片，驅(qū)動(dòng)芯片采用采用ULN2803AG。兩個(gè)電機(jī)分別于水平調(diào)節(jié)和垂直調(diào)節(jié)，系統(tǒng)的簡(jiǎn)化電路圖如圖4所示[8]。擺動(dòng)，從而造成系統(tǒng)的混亂。而采用變頻器，電機(jī)轉(zhuǎn)速可調(diào)，則可避免此缺點(diǎn)。第四，采用了對(duì)電動(dòng)機(jī)的最先進(jìn)的轉(zhuǎn)矩矢量控制。能獲得與負(fù)載自動(dòng)適應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)矩；低速時(shí)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大幅度提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度。

圖4 跟蹤系統(tǒng)電路連接圖

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

系統(tǒng)采用低功耗的CMOS實(shí)時(shí)時(shí)鐘／日歷芯片PCF8563設(shè)計(jì)時(shí)鐘電路，它具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘和可編程定時(shí)中斷輸出等功能，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行通信。系統(tǒng)采用HD7279A智能控制芯片完成信息的輸入顯示。該芯片具有串行接口，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位LED數(shù)碼管和連接64鍵鍵盤，芯片內(nèi)部含有譯碼器，可直接接受BCD碼和16進(jìn)制碼。另外，芯片還具有多種控制指令，如消隱、閃爍、段尋址等。圖5中的8個(gè)LED數(shù)碼管和4個(gè)按鍵分別用來顯示和設(shè)置經(jīng)緯度、時(shí)間信息。

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

程序流程圖如下：

變頻器在此起到的作用如下。第一，作為控制系統(tǒng)，可以識(shí)別、判斷信號(hào)。太陽光線隨著時(shí)間的變化遵循一定的規(guī)律，可以將此預(yù)先保存在系統(tǒng)中，工作時(shí)，控制系統(tǒng)讀取實(shí)時(shí)時(shí)鐘的信息，并根據(jù)太陽光線變化的規(guī)律實(shí)現(xiàn)粗略跟蹤。第二，通過改變頻率、電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)電池板與太陽光線偏差較大時(shí)，讓電機(jī)轉(zhuǎn)速稍快，實(shí)現(xiàn)粗略跟蹤；電池板與太陽光線偏差較小時(shí)可使電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，通過感應(yīng)信號(hào)的大小比較，找到一個(gè)光強(qiáng)最大的位置，從而實(shí)現(xiàn)跟蹤更加準(zhǔn)確，并節(jié)省系統(tǒng)用電量。第三，在光電跟蹤中，電機(jī)轉(zhuǎn)速不可調(diào)，跟蹤過程中電池板有可能偏轉(zhuǎn)過度，導(dǎo)致來回

4 結(jié) 論

裝置優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘作粗略判斷，受地域限制?。?/p>

（2）利用變頻器的控制電路，采用間斷跟蹤，即有陽光時(shí)跟蹤，無陽光時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)，節(jié)省電能；

（3）通過改變頻率、電壓來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣既可以實(shí)現(xiàn)精確的跟蹤又節(jié)省了系統(tǒng)的用電量，從而間接的達(dá)到了提高太陽能利用率的目的；

（4）變頻器低速時(shí)提高起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，大幅度提高轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度，縮短響應(yīng)時(shí)間；

（5）延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。

綠色、清潔能源是日后能源結(jié)構(gòu)的一個(gè)趨勢(shì)，太陽能行業(yè)具有無限廣闊的前景。該裝置利用變頻器自帶的控制電路控制整個(gè)系統(tǒng)，在跟蹤時(shí)可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到精確跟蹤，節(jié)省系統(tǒng)用電量，具有視日軌跡跟蹤以及光電跟蹤的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了兩者的一些缺點(diǎn)，進(jìn)一步提高了太陽能利用率。本裝置可用于路燈、紅綠燈等交通設(shè)施，也可以為野外工作人員供電，具有較高的商業(yè)價(jià)值。

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