余蓓敏

(安徽電子信息職業(yè)技術學院 電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

一種新型太陽能跟蹤控制器的設計*

余蓓敏

(安徽電子信息職業(yè)技術學院 電子工程系，安徽 蚌埠 233030)

為解決光伏發(fā)電效率低、成本高等問題，本文分析了目前太陽能跟蹤技術的現狀和弊端，提出了一種四點式雙軸光電跟蹤與數據庫跟蹤相混合的新的跟蹤技術來提高光伏發(fā)電效率的方法.光照良好時采用光電跟蹤模式，光線不佳時采用數據庫跟蹤模式，兩種跟蹤模式可以自動切換，保證了跟蹤的精確性，大大提高了太陽能的發(fā)電效率.這種方法成本低、效果好、精度高、易實現，可廣泛應用于光伏發(fā)電系統(tǒng).

混合跟蹤；光電跟蹤；數據庫跟蹤

1 引言

為提高光伏發(fā)電轉換效率，目前，可以從以下兩方面著手解決：一是選取性能優(yōu)良的太陽能電池材料，如單晶或多晶硅、薄膜光伏電池等，但這些材料往往成本較高，發(fā)電效率也不理想.二是采用跟蹤控制技術，盡可能保證電池板與太陽光入射方向相互垂直.二者相比，采用跟蹤控制技術更具有現實意義.常見的跟蹤方式有以下兩種：一種是天文式跟蹤技術，即由微處理器根據當地經緯度、時間等信息來計算太陽的方位，從而實現自動跟蹤，但這種跟蹤技術受時間精度影響較大，積累誤差無法消除，所以跟蹤精度不高；另一種是光電式跟蹤技術，雖然此技術跟蹤精度較高，但受天氣影響，極易跟錯目標或者直接無法跟蹤.于是，將上述兩種跟蹤模式結合在一起得到了普遍關注[1]，但這種結合模式下的數據計算過于冗繁，需要配備高性能微處理器，這樣會加大成本，并且不易于實現.

為此本文提出了一種將光電跟蹤模式和簡單可行的數據庫跟蹤模式相結合的全新的太陽能跟蹤控制器，大大提高了光伏轉換效率.光照良好時采用光電跟蹤技術，發(fā)揮其跟蹤精度高的特點，光照不佳時自動轉換到數據庫跟蹤模式，以實時更新數據庫數據保證跟蹤器與太陽光的夾角合適，從而提高太陽能發(fā)電效率.

2 跟蹤模式分析

光電跟蹤模式主要是利用傳感器裝置來檢測太陽的高度和方位.在垂直照射的條件下，即各個方位的強度相同，則輸出信號為零，若不同，則根據偏差信號的正負和大小決定電池板轉動的方向和角度，實現精確跟蹤[2].此模式跟蹤精度高，但受天氣影響較大.

數據庫跟蹤模式是利用前一天及時更新的數據控制系統(tǒng)正常工作.當天氣狀況不佳、光照弱時，此模式優(yōu)勢突顯，不但跟蹤更精確，光伏發(fā)電效率更高，并且實現起來簡單方便.

將上述兩種跟蹤模式結合起來實現的混合跟蹤模式是指在光電跟蹤模式時，記錄太陽在高度角和方位角方向上的步進電機脈沖數，每間隔一段時間統(tǒng)計一次，使單片機EEPROM中的數據實時更新并被存儲.當光照不佳，即低于某采樣電壓時，通過單片機控制，切換到數據庫模式下，用數據庫前一天更新的數據來跟蹤，保證精確度.

3 硬件設計

這種新型的太陽能跟蹤控制器的硬件系統(tǒng)由風速檢測電路、輸入/輸出模塊、光電檢測模塊、時鐘單元模塊、微控制器、電機驅動機構和太陽能電池板構成，如圖1所示.

圖1 新型太陽能跟蹤控制器硬件設計原理框圖

微控制器采用宏晶單片機，型號為STC12C5A60S2，主要負責控制工作，是整個系統(tǒng)的核心單元.

風速檢測模塊采用風速傳感器，型號為QS-FS01.當風速較大時，系統(tǒng)接收信號，停止跟蹤工作.當風速不造成破壞時，恢復跟蹤工作.此模塊是整個系統(tǒng)的保護單元.

輸入/輸出模塊中的輸入模塊采用A/D轉換式按鍵電路，以減少單片機I/O接口.輸出模塊采用LCD顯示電路，型號為LM032，主要用來顯示測試數值與時間信息，以便于調整.

光電檢測模塊采用四點法[3-4]，由四路光電傳感器構成，用來檢測各個方向的入射光線與太陽能電池板是否垂直.光電檢測實際電路主要通過光電二極管與一高精度電阻串聯實現，隨著光照強度的增加，電流變大，電阻分壓增多，故光照強度與A/D采樣值成正比，說明電壓型輸出可行.當兩路采樣值結果相同時，則表明正常，電機驅動機構不偏轉.當兩路采樣值之差超出一定值時，則微處理器控制電機驅動機構向較大采樣值一側偏轉，直至兩路采樣值相同.光電檢測電路原理圖如圖2所示.

圖2 光電檢測電路原理圖

時鐘單元模塊采用DS1302時鐘芯片，該芯片為雙電源供電模式，備用電源充電方式可被設置，也可被涓流充電[5].

電機驅動機構采用混合式步進電機，型號為57BYGG262-2004A.由于陽光移動速度不快，故選用雙極串聯方式.為了降低成本，提高速度，改善電機性能，本電機驅動機構還加入了高性能細分驅動器，型號為SH-2024.

綜上所述，這種新型太陽能跟蹤控制器的電源電路要綜合考慮各組成部分的電源供給，故設計如圖3所示.

圖3 新型太陽能跟蹤控制器電源電路示意圖

4 軟件設計

這種新型太陽能跟蹤控制器的軟件系統(tǒng)是將四點光電跟蹤式與數據庫跟蹤式相結合的一種新模式，整個程序的流程設計采用模塊化設計思想.設計中，時鐘及各中斷源首先進行初始化處理，設計看門狗(WDT)監(jiān)測系統(tǒng)故障，便于及時處理.當風速過強時，進行避風處理，對系統(tǒng)加以保護.輸入按鍵模式0為正常，跟蹤時間為每天的7：00-18：00，檢測供電，查看是否出現某一時段的斷電或其他異常情況，如果出現過異常情況，則進行必要的電機調整后繼續(xù)光電跟蹤模式，然后判斷光照是否符合光電跟蹤條件，當光照不好并低于一定值時，隨即切換進入數據庫跟蹤模式，數據庫數據保持實時更新狀態(tài)，不管光線好壞，都能保證跟蹤效果的最優(yōu)化.

7：00-18：00時段外，安徽地區(qū)光照很弱，整個系統(tǒng)進行節(jié)能處理，采取固定采光方式，晚上20：00時對跟蹤系統(tǒng)進行復位，以便于第二天的良好跟蹤.

綜上所述，混合跟蹤模式程序設計主流程圖需包含系統(tǒng)初始化、看門狗(WDT)、風速檢測、按鍵處理、供電檢測、光電檢測、光電跟蹤處理、數據庫跟蹤處理、跟蹤裝置夜間復位作業(yè)、閑暇節(jié)能處理等功能模塊.程序流程圖如圖4所示.

圖4 新型太陽能跟蹤控制器的程序設計流程圖

5 結束語

本文提出了一種新的可以在光電跟蹤模式和數據庫跟蹤模式間自動切換的太陽能跟蹤控制器.

當天氣好、光照強時(如晴天)，光電跟蹤模式發(fā)揮作用；當天氣不好、光照弱時(如多云或陰雨天氣)，可自動切換到數據庫跟蹤模式，最大程度上保證了太陽能電池板的高發(fā)電效率.這種新型太陽能跟蹤控制器電路簡單，易于實現，具有性價比高、高速低功耗、抗干擾性較強等優(yōu)點，具有較強的普及和推廣意義.

[1]黃劍波,樸仁官,郭幫輝，等.一種高精度全天候太陽跟蹤儀的設計[J].長春理工大學學報(自然科學版), 2010,3(3):4-7.

[2]王尚文，高偉，黃樹紅.混合雙軸太陽自動跟蹤裝置的研究[J]．可再生能源，2007(12):12-13.

[3]廖錦城.計算機控制雙軸太陽跟蹤系統(tǒng)及其偏差檢測[D].武漢:武漢理工大學,2008.

[4]黃韜.基于模糊控制的太陽追蹤系統(tǒng)[D].廣州:中山大學,2009.

[5]達拉斯半導體公司.DS1302英文數據手冊[S].

(責任編輯:王海波)

Design of a New Type of Solar Tracking Controller

YU Bei-min

(DepartmentofElectronicEngineering,AnhuiVocationalCollegeofElectronicsandInformationTechnology,Bengbu,Anhui233030,China)

In order to resolve the problem of low efficiency and high cost in Solar Photovoltaic Generation, a new four-point biaxial solar tracking mode mixed with optical tracking and database tracking is presented after the analysis of the research status and disadvantages for solar tracking controlling technique. The optical tracking mode is at work when the light is strong, otherwise, the database tracking mode works. Automatic switchover between these two modes improves the precision and generating efficiency simultaneously. Due to the advantages of low cost, good effect, high precision and easy to achieve, this mixing tracking mode can be used extensively.

biaxial tracking; optical tracking; database tracking

10.13877/j.cnki.cn22-1284.2015.04.001

2015-03-01

余蓓敏，女，安徽廣德人，教師.

TM914.4

A

1008-7974(2015)02-0001-03