刁 穎，陶國(guó)彬，王中鈺，杜艷萍，馬 磊

（1.東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318；2.大慶裝備制造集團(tuán)射孔彈廠 黑龍江 大慶163853；3.大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部物業(yè)管理二公司 黑龍江 大慶163411；4.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

自動(dòng)跟光太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

刁 穎1，陶國(guó)彬1，王中鈺2，杜艷萍3，馬 磊4

（1.東北石油大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，黑龍江 大慶163318；2.大慶裝備制造集團(tuán)射孔彈廠 黑龍江 大慶163853；3.大慶油田礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部物業(yè)管理二公司 黑龍江 大慶163411；4.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶163318）

本文針對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電效率偏低問(wèn)題進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)研究，設(shè)計(jì)采用光伏系統(tǒng)自動(dòng)跟光技術(shù)，針對(duì)光電檢測(cè)模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行研究，再對(duì)跟光系統(tǒng)跟光原理進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上完成自動(dòng)跟光太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)自動(dòng)跟光式光伏發(fā)電系統(tǒng)與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的測(cè)試，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，該系統(tǒng)發(fā)電效率相比于固定式發(fā)電效率提升37%，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)位置，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

太陽(yáng)能；光伏發(fā)電；發(fā)電效率；自動(dòng)跟光

鑒于能源危機(jī)以及環(huán)境惡化問(wèn)題的日益加重，太陽(yáng)能光伏發(fā)電憑借其取之不盡、用之不竭所特有優(yōu)勢(shì)得到了快速發(fā)展。但是，相對(duì)于其他可再生能源而言，由于發(fā)電效率偏低和發(fā)電成本偏高的問(wèn)題，光伏發(fā)電系統(tǒng)同樣存在其弊端，因此針對(duì)這兩大問(wèn)題的研究，對(duì)于光伏產(chǎn)業(yè)而言，將會(huì)起到極大地促進(jìn)推廣的作用[1-7]。傳統(tǒng)的光伏組件大多采用固定式的安裝模式，由于其組件安裝角度固定，其傾角不跟隨太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)而改變，因此導(dǎo)致太陽(yáng)能極板所接受到的輻射強(qiáng)度會(huì)跟隨時(shí)間而不斷改變[8]。據(jù)推算：若光伏組件與太陽(yáng)光線存在25度的角度偏差，就會(huì)因此導(dǎo)致垂直入射的輻射能降低，使光伏組件的輸出功率下降10%左右。因此采用自動(dòng)跟光式光伏陣列結(jié)構(gòu)能夠有效提升光伏陣列發(fā)電效率[9-12]。

1 太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)

自動(dòng)跟光太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，其中虛線區(qū)域外為光伏電源系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)，虛線區(qū)域內(nèi)為太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)[13-15]。

圖1 自動(dòng)跟光太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

光伏電源系統(tǒng)中，太陽(yáng)能電池陣列將光能轉(zhuǎn)化為電能，然后傳輸給充放電控制器進(jìn)行處理，蓄電池接入端子連接蓄電池，負(fù)載輸出端子連接逆變器、DC/DC變換器，DC/DC變換器將電壓降為5 V，連接直流負(fù)載以及對(duì)數(shù)據(jù)處理、通信等模塊進(jìn)行供電，逆變器將電壓升為220 V交流電，對(duì)交流負(fù)載進(jìn)行供電。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)中，光電檢測(cè)模塊是整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的前提，計(jì)算機(jī)控制模塊為整個(gè)跟蹤系統(tǒng)的核心，光電檢測(cè)模塊將檢測(cè)到的信號(hào)傳輸給計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行分析，計(jì)算機(jī)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的分析從而控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到太陽(yáng)跟蹤的目的。

2 光伏發(fā)電系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 光電檢測(cè)模塊

光電檢測(cè)模塊主要是用于檢測(cè)太陽(yáng)高度角與方位角的變化，其基本原理是利用光敏電阻在光照強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)阻值也會(huì)發(fā)生變化的原理，將4只光敏電阻分別放置在太陽(yáng)光接收器的東南西北四個(gè)方向上，偵測(cè)這4個(gè)方向的光照強(qiáng)度。

圖2 光電檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)圖

若太陽(yáng)光垂直照射于太陽(yáng)能電池板上，則相對(duì)方向的兩個(gè)光敏電阻所接收到的光照強(qiáng)度相同，光敏電阻的阻值變化率相等，電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)，若太陽(yáng)光的入射角度不是垂直于太陽(yáng)能電池板，則相對(duì)方向上的光敏電阻所接收到的光照強(qiáng)度不同，其阻值變化率不等，電機(jī)將帶動(dòng)太陽(yáng)能電池板向著太陽(yáng)光能夠垂直入射太陽(yáng)能電池的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池板的自動(dòng)追光功能，其電路設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2 計(jì)算機(jī)控制模塊

在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，起著協(xié)調(diào)太陽(yáng)方位檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)控制等各模塊工作的作用，使系統(tǒng)能過(guò)穩(wěn)定的運(yùn)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)中AT89C51外圍端口的分配情況如表1所示。

表1 AT89C51外圍端口分配表

表1中，P1.0～P1.3為步進(jìn)電機(jī)脈沖信號(hào)及模式信號(hào)的信號(hào)輸出端。P2.3～P2.5為單片機(jī)與DS1302的通信控制端口，通過(guò)DS1302芯片為單片機(jī)實(shí)時(shí)提供時(shí)間信息。P2.6～P2.7為太陽(yáng)方位檢測(cè)信號(hào)采集端口，連接PCF8591芯片，將經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的電路電壓比較信號(hào)輸入到單片機(jī)中。其中，高度角步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)能極板做俯仰運(yùn)動(dòng)，方位角步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)能極板做水平旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

2.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

圖3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊主要受計(jì)算機(jī)控制模塊進(jìn)行控制，考慮到跟蹤系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要能夠?qū)嵌冗M(jìn)行精確控制以及對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的跟蹤速度要求不高的因素，本系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤。

作為機(jī)電控制中常用的一種執(zhí)行機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)的作用是將電脈沖量轉(zhuǎn)化為角位移量。脈沖信號(hào)通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳入步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器中，步進(jìn)電機(jī)根據(jù)脈沖信號(hào)的高低電平的數(shù)量，按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)相應(yīng)角度的角位移量（即步進(jìn)角），從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

3 跟光系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

跟光系統(tǒng)是指太陽(yáng)的方位跟蹤，流程圖如圖4所示。

圖4 跟光系統(tǒng)流程圖

首先，通過(guò)太陽(yáng)方位檢測(cè)電路對(duì)方位信號(hào)進(jìn)行采樣，得到輸入電壓信號(hào) Ua、Ub、Uc、Ud，而后通過(guò)單片機(jī)控制模塊對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行處理，得到太陽(yáng)在方位角與高度角上的偏移量Ex、Ey。然后，對(duì)Ex、Ey的絕對(duì)值與方位角和高度角的閾值e1、e2分別進(jìn)行比較，若均小于閾值，則跟蹤結(jié)束；反之，則需要進(jìn)一步的調(diào)整跟蹤機(jī)構(gòu)追蹤太陽(yáng)，根據(jù)Ex、Ey的符號(hào)調(diào)整電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，根據(jù)Ex、Ey的值調(diào)整電機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，而后進(jìn)入下一次光電跟蹤，直至Ex、Ey的絕對(duì)值小于各自相應(yīng)的閾值e1、e2，則光電跟蹤結(jié)束。

程序設(shè)計(jì)思路：程序開(kāi)始首先進(jìn)行初始化，而后獲取經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)并對(duì)其進(jìn)行比較，從而控制步進(jìn)電機(jī)繼電器的開(kāi)關(guān)達(dá)到跟光的目的。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)測(cè)試

將光電檢測(cè)模塊、單片機(jī)控制模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、手動(dòng)操控模塊各模塊進(jìn)行整合，組成完整的獨(dú)立供電太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，其系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。圖5上部分為自動(dòng)跟光系統(tǒng)，四塊太陽(yáng)能極板串聯(lián)連接，固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，光電檢測(cè)模塊固定在太陽(yáng)能極板的上部，與板面保持平行。圖片下部分為系統(tǒng)的光伏電源系統(tǒng)，該部分系統(tǒng)通過(guò)線纜對(duì)跟光系統(tǒng)進(jìn)行供電，使得跟光系統(tǒng)能夠穩(wěn)定的運(yùn)行；同時(shí)，太陽(yáng)能極板通過(guò)線纜將經(jīng)過(guò)光伏電池轉(zhuǎn)換后的電能傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)中，經(jīng)過(guò)控制器、逆變器等器件將電能儲(chǔ)存轉(zhuǎn)換為可用的交流電與直流電供給負(fù)載使用。

圖5 獨(dú)立供電太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)物圖

避免周?chē)ㄖ镆约皹?shù)木等產(chǎn)生的陰影，對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生影響，實(shí)驗(yàn)選擇在學(xué)校教學(xué)樓頂層平臺(tái)進(jìn)行，具體為東經(jīng)124.16度、北緯45.82度。此外，另設(shè)計(jì)了一套由同樣規(guī)格的4塊太陽(yáng)能電池板進(jìn)行串聯(lián)的固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。每隔兩分鐘，分別對(duì)兩組設(shè)備進(jìn)行開(kāi)路電壓與短路電流的采集，進(jìn)行為期兩天的實(shí)驗(yàn)測(cè)試，選取其中一天的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對(duì)比，該日天氣情況為上午陰天下午晴天。

圖6 開(kāi)路電壓對(duì)比圖

圖6為開(kāi)路電壓對(duì)比圖，由圖可知，陰天時(shí)跟蹤式與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)曲線很接近，電壓相差不大；晴天時(shí)，兩天曲線分開(kāi)的很明顯，跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)路電壓要明顯高于固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的開(kāi)路電壓，尤其是下午四點(diǎn)至四點(diǎn)半，由于此刻固定式光伏陣列始終是面向正南，因此接收到的輻射量很少，而跟蹤系統(tǒng)始終跟隨太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)，因此接收到的輻射量要明顯多于固定式，開(kāi)路電壓也比較高。

圖7為短路電流對(duì)比圖，由圖可知，陰天時(shí)跟蹤式與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)曲線區(qū)分不明顯，且短路電流值都比較小，晴天時(shí)跟蹤式與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)曲線區(qū)分尤為明顯，跟蹤式短路電流高達(dá)4.66 A。

圖7 短路電流對(duì)比圖

圖8 輸出功率對(duì)比圖

圖8為系統(tǒng)輸出功率對(duì)比圖，由圖可知，陰天時(shí)跟蹤式與固定式系統(tǒng)輸出功率都不高，并且曲線很接近，晴天時(shí)跟蹤式光伏系統(tǒng)輸出功率明顯高于固定式光伏系統(tǒng)輸出功率，曲線分開(kāi)的很明顯。由此，通過(guò)計(jì)算可知，跟蹤式結(jié)構(gòu)的光伏系統(tǒng)，其輸出功率相比于固定式光伏系統(tǒng)輸出功率提高37%，即自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)相較于固定式光伏系統(tǒng)發(fā)電效率提升37%。

5 結(jié) 論

文中所設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟光太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)是在對(duì)傳統(tǒng)的固定式獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)如何有效的提高其光伏發(fā)電效率的研究的基礎(chǔ)上提出的，硬件具有可便攜、光伏發(fā)電效率高、跟光系統(tǒng)穩(wěn)定等特點(diǎn)，軟件算法運(yùn)行流暢，通過(guò)實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)比較合理，跟光系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、穩(wěn)定的跟蹤太陽(yáng)，能夠?qū)⒏嗟碾娔芴峁┙o用電負(fù)載使用。

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Design of automatic and solar photovoltaic power generation system

DIAO Ying1，TAO Guo-bin1， WANG Zhong-yu2， DU Yan-ping3， MA Lei4
（1.Northeast Petroleum University School of Electrical and Information Engineering， Daqing 163318，China； 2.Daqing Equipment Manufacturing Group Charge Factory， Daqing 163853， China； 3.Daqing Oilfield Mining Services Division of Property Management Company， Daqing 163411， China；4.Northeast Petroleum University College of Earth Sciences， Daqing 163318，China）

In this paper，we propose a new approach to improve the power generation efficiency of photovoltaic system.We first use the automatic light tracking technology，and focus on the photoelectric detection module， computer control module and stepper motor driver module， and then analyze the working principle of light tracking system，at last build the whole system of automatic light tracking solar photovoltaic systems.We compare our method with the fixed photovoltaic power generation system，and the results show that the effectiveness of the proposed system is 37%more than the fixed photovoltaic power generation system.Further，the system can stably accurately track the position of the sun.

solar energy； photovoltaic power generation； power generation efficiency； automatic light tracking

TN361

A

1674－6236（2017）12-0093-04

2016-05-04稿件編號(hào)：201605030

刁 穎（1990—），女，山東萊蕪人，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)。