范學(xué)超

（蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215200）

太陽(yáng)能的開發(fā)利用具有巨大的市場(chǎng)前景，但是，太陽(yáng)能光伏發(fā)電所存在的一個(gè)瓶頸問題就是發(fā)電效率低，大大限制了光伏發(fā)電的應(yīng)用和發(fā)展。解決這一問題的一種比較可行的辦法是設(shè)計(jì)太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能發(fā)電裝置始終面向太陽(yáng)的方向，以提高光伏發(fā)電的效率。本設(shè)計(jì)以EDA(electronics design automation)技術(shù)為依托，在進(jìn)行系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行計(jì)算，完成了自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。經(jīng)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可以根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的變化，全天候地跟蹤太陽(yáng)，大大提高了發(fā)電效率。

1 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)分析

太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤就是根據(jù)一天中不同時(shí)刻太陽(yáng)在天空中方位的變化，調(diào)整太陽(yáng)電池板的偏轉(zhuǎn)角度，從而跟蹤太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡，使太陽(yáng)入射光線垂直照射到太陽(yáng)電池板上，充分地接收太陽(yáng)輻射能量。據(jù)測(cè)定，相同環(huán)境條件下，自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量提高35%左右[1]。因此，太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤技術(shù)對(duì)提高太陽(yáng)能的利用率有著重大意義。

目前常用于實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤的方法有兩種：一種是光電跟蹤，一種是太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。光電跟蹤是通過使用光敏二極管、光敏電阻、硅光電池等光敏元件，來檢測(cè)太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)方向，并控制跟蹤裝置追蹤太陽(yáng)的運(yùn)行。光電跟蹤方法采用閉環(huán)控制形式，具有跟蹤靈敏度高的基本特點(diǎn)，但這種方法是依靠實(shí)時(shí)檢測(cè)太陽(yáng)光來確定運(yùn)行過程，極易受到天氣和環(huán)境中各種散射光線的影響，因此跟蹤的穩(wěn)定性較差，有時(shí)甚至?xí)鹫`動(dòng)作。而太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是一種開環(huán)控制方式，是通過天文學(xué)公式計(jì)算出太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的理論值來控制跟蹤裝置的運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的方位跟蹤。太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤不易受外界環(huán)境、氣候、雜散光的影響，運(yùn)行可靠性高于光電跟蹤，但是由于自身是開環(huán)控制，所以對(duì)于由于自身計(jì)算過程所致的誤差，沒有自我修正的能力，從而造成誤差持續(xù)積累，影響跟蹤精度。為了有效地提高跟蹤的精確度和有效性，本文將這兩種方法結(jié)合起來，根據(jù)天氣的基本狀況，設(shè)計(jì)出一種基于四種環(huán)境天氣特征的全天候太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方法。具體設(shè)計(jì)如下。

（1）白天晴天跟蹤模式：白天晴天時(shí)，氣候條件好，兩種跟蹤方法都能取得良好的效果，因此，先利用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤進(jìn)行粗跟蹤，初步確定出系統(tǒng)的運(yùn)行方式，而后再利用光電跟蹤進(jìn)行精確跟蹤。

（2）白天多云時(shí)跟蹤模式：在多云的氣候條件下，光電設(shè)備運(yùn)行的精確度大大下降。因此，這種情況下只能利用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤不受天氣、雜散光影響的特點(diǎn)，采用太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式跟蹤太陽(yáng)。

（3）白天陰雨天時(shí)跟蹤模式：在陰雨天時(shí)，太陽(yáng)的光線較暗，光電設(shè)備失效，利用太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤方法對(duì)氣候條件進(jìn)行檢測(cè)，如果條件尚可，開始跟蹤，如果天氣條件不好，暫停跟蹤，跟蹤裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持在當(dāng)前位置，以減少機(jī)械損失；當(dāng)檢測(cè)裝置檢測(cè)到天氣變化時(shí)，再次開始相應(yīng)的跟蹤執(zhí)行。

（4）夜晚跟蹤模式：夜晚時(shí)，光伏發(fā)電裝置停止工作，檢測(cè)裝置處于待命狀態(tài)，等待天亮啟動(dòng)裝置后，依據(jù)天氣情況決定運(yùn)行過程。

以上四種跟蹤模式采用并行檢測(cè)，分別執(zhí)行的基本方式。一次跟蹤只采用其中的一種模式，氣候條件及設(shè)備運(yùn)行條件輸入相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，完成詳細(xì)的運(yùn)行計(jì)算。

2 EDA設(shè)計(jì)方法介紹

EDA 技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的一種高級(jí)、快速、有效的輔助設(shè)計(jì)手段。它以計(jì)算機(jī)的硬件和軟件為基本工作平臺(tái)，是集數(shù)據(jù)庫(kù)、圖形學(xué)、圖論與拓?fù)溥壿?、?jì)算數(shù)學(xué)、優(yōu)化理論等多學(xué)科最新成果研制出的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)通用軟件包。利用EDA 工具可以代替設(shè)計(jì)者完成電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的大部分工作，是電子設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[2]。

傳統(tǒng)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)大多采用卡諾圖化簡(jiǎn)、小規(guī)模TTL設(shè)計(jì)等方法來進(jìn)行，這種方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而現(xiàn)代EDA 設(shè)計(jì)方法是伴隨著大規(guī)?？删幊踢壿婥PLD/FPGA 的出現(xiàn)而出現(xiàn)的，主要特點(diǎn)是利用了強(qiáng)大的邏輯設(shè)計(jì)仿真測(cè)試技術(shù)，以軟件來設(shè)計(jì)硬件，只需通過計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)和計(jì)算就能對(duì)所設(shè)計(jì)的電子系統(tǒng)從各種不同的層次進(jìn)行測(cè)試和仿真，極大地提高了大規(guī)模系統(tǒng)電子設(shè)計(jì)的自動(dòng)化程度。本設(shè)計(jì)采用了EDA 方法和相應(yīng)的可編程器件，利用硬件描述語言來完成對(duì)系統(tǒng)硬件功能的設(shè)計(jì)和描述，并在EDA 工具的支持下觀測(cè)到最后設(shè)計(jì)結(jié)果的運(yùn)行狀態(tài)，具有方便和高效的特征。圖1 所示為EDA 設(shè)計(jì)流程圖。

圖1 EDA設(shè)計(jì)流程圖

3 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的EDA設(shè)計(jì)

3.1 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)在獨(dú)立性、連續(xù)性、高效性和穩(wěn)定性等方面均有較高的要求。因此，本設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo)有：跟蹤精度在±3左右；水平運(yùn)行角度為0°～360°，垂直運(yùn)行角度為0°～90°；輸出交流電壓精度為(220±3%) V；輸出直流電壓精度為(5±1%)V；光伏電源逆變效率為85%。根據(jù)以上的設(shè)計(jì)要求，自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)總體流程如圖2 所示。

圖2 自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的流程框圖

如圖2 所示，系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制核心，采用光電跟蹤和太陽(yáng)運(yùn)行軌跡追蹤相結(jié)合的方式，控制步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。其中，利用光電檢測(cè)模塊檢測(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，結(jié)合太陽(yáng)運(yùn)行軌跡跟蹤模塊計(jì)算出太陽(yáng)高度角和方位角的理論值，計(jì)算機(jī)根據(jù)相應(yīng)的結(jié)果進(jìn)行天氣判斷和光電跟蹤，從而驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)采用二維自動(dòng)跟蹤裝置來控制太陽(yáng)電池板做水平旋轉(zhuǎn)和俯仰運(yùn)行，以實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。

在整個(gè)設(shè)計(jì)中，利用光強(qiáng)檢測(cè)傳感器進(jìn)行天氣判斷和光電跟蹤，根據(jù)基于地平坐標(biāo)系的高度角-方位角的天文經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出特定時(shí)刻、特定地點(diǎn)太陽(yáng)高度角和方位角的理論值是重點(diǎn)內(nèi)容。

3.2 光電跟蹤設(shè)計(jì)

光電跟蹤利用光強(qiáng)檢測(cè)傳感器來檢測(cè)太陽(yáng)入射光強(qiáng)，利用光敏器件在光照條件下輸出的光電流信號(hào)幅度與光照強(qiáng)度成正比的原理，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，計(jì)算機(jī)對(duì)經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換的信號(hào)進(jìn)行采樣計(jì)算，得出信號(hào)的均值和波動(dòng)幅值，然后將兩個(gè)值與當(dāng)?shù)靥鞖鈽?biāo)準(zhǔn)閾值進(jìn)行比較，以判斷當(dāng)前的天氣狀況。

3.3 太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤

太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的計(jì)算需要利用經(jīng)度及緯度數(shù)據(jù)，相關(guān)的理論公式和天文參數(shù)如下。

太陽(yáng)日角θ 計(jì)算方法：

太陽(yáng)時(shí)角ω計(jì)算方法取值范圍為0～24 h，上午取正值，下午取負(fù)值。

計(jì)算出太陽(yáng)高度角h和方位角A，能夠確定太陽(yáng)在天空中的方位：

式中：φ 為當(dāng)?shù)鼐暥取?/p>

根據(jù)以上算法，利用計(jì)算機(jī)編寫太陽(yáng)高度角和方位角，從而找到太陽(yáng)運(yùn)行軌跡的理論值。

3.4 EDA設(shè)計(jì)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，將計(jì)算方法及電路設(shè)計(jì)方法用Verilog HDL 進(jìn)行描述，并在MAX+plusⅡ環(huán)境下通過編譯和仿真驗(yàn)證。將計(jì)算出來的數(shù)值分別與實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)相對(duì)比，可得出運(yùn)行角度誤差在0.1°以內(nèi)、時(shí)間誤差在1 min 以內(nèi)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的可行性。

4 總結(jié)

本文介紹了自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及跟蹤系統(tǒng)的計(jì)算方法，并采用EDA 技術(shù)對(duì)電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)結(jié)果，縮短了設(shè)計(jì)周期，具有一定的推廣價(jià)值。

[1]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)，2009：7-9.

[2]王維博，吳自恒.用FPGA/CPLD 實(shí)現(xiàn)EDA 設(shè)計(jì)[J].四川工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(2)：6-8.