張雙華 ，文小玲*，2，邵鵬程 ，陳立明

1.武漢工程大學電氣信息學院，湖北 武漢 430205

2.湖北省視頻圖像與高清投影工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430205

隨著化石能源的逐漸枯竭，環(huán)境問題日益嚴重，很多國家都致力于新能源的開發(fā)，而太陽能以其獨特的優(yōu)勢成為現(xiàn)有的新型替代能源［1-3］。光伏發(fā)電是目前利用太陽能較為廣泛的技術(shù)手段，但易受自然環(huán)境的影響，穩(wěn)定性相對較差，且能量密度低。因此在大力發(fā)展光伏發(fā)電的過程中，對光電轉(zhuǎn)換的效率就有了更高的要求，而光伏跟蹤技術(shù)就是解決這一問題的有效途徑［4］。固定式光伏發(fā)電是目前大型光伏電站的主要發(fā)電方式，單軸和雙軸跟蹤的技術(shù)雖有少量應(yīng)用但未形成規(guī)模，其主要原因是其跟蹤精度不足，設(shè)備成本和系統(tǒng)能耗相對較高［5-8］。本文在已有的理論基礎(chǔ)上研究設(shè)計了一款基于單片機控制的太陽能雙軸自動跟蹤系統(tǒng)，主要進行了光伏發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤控制策略優(yōu)化設(shè)計和太陽光跟蹤光電傳感器的研究。系統(tǒng)采用間歇性跟蹤的控制算法，每30 min校正一次太陽能電池板的方位。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)及組成原理

系統(tǒng)采用雙軸跟蹤和時控+光控模式，同時從方位角和高度角對太陽光線入射角進行全方位實時跟蹤，使太陽能電池板始終與太陽光線保持垂直。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1（a）所示，主要由傳感器模塊、主控板、跟蹤執(zhí)行機構(gòu)、太陽能電池板四個部分組成。傳感器部分包括光源檢測傳感器，六軸陀螺儀，光照強度傳感器，風速風向傳感器，限位開關(guān)。光源檢測傳感器可以感知太陽方位的變化，并將信號比較處理后傳給主控板；六軸陀螺儀的作用是檢測太陽能電池板的位置，將檢測到的角度與太陽的實時方位進行比較，再由主控板將偏移量轉(zhuǎn)換為脈沖驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動，這樣就形成了閉環(huán)調(diào)節(jié)模式，使跟蹤更加精確；光照強度傳感器用于檢測當前天氣情況的變化，根據(jù)不同的光照強度切換不同的跟蹤模式；風速風向傳感器用于大風保護，以保護太陽能電池板在風速過大時不受損；接近開關(guān)的作用是對裝置進行限位保護，在裝置的左右兩側(cè)各有一個接近開關(guān)，防止電機轉(zhuǎn)動角度過大而損壞裝置。參數(shù)采樣電路主要是采集太陽能電池板的電壓和電流；跟蹤機械裝置主要包括高度角和方位角的兩臺步進電機，實現(xiàn)對太陽能電池板兩個維度的調(diào)節(jié)。

系統(tǒng)控制流程如圖1（b）所示，系統(tǒng)采用混合跟蹤的控制方法即為時控+光控的控制模式，時控為粗調(diào)，光控為微調(diào)。當?shù)竭_日出時間時系統(tǒng)啟動進入時控模式，給出一個Δh和Δγ角度，由控制器發(fā)出相應(yīng)脈沖驅(qū)動步進電機轉(zhuǎn)動。因此，可以進行時控的跟蹤設(shè)計，太陽能跟蹤系統(tǒng)每完成一次跟蹤周期就自動復(fù)位，當進行時控跟蹤時每次轉(zhuǎn)動角度均與相對于地球的太陽活動規(guī)律相同。在讀取某地的日期、時間、經(jīng)緯度后，通過已有的公式算法得出當?shù)貙崟r的太陽高度角和方位角，再與太陽能電池板的高度角方位角進行比較后得出兩個維度的角度差，最后由控制器給出相應(yīng)脈沖驅(qū)動步進電機調(diào)整太陽能電池板的位置即可達到太陽能跟蹤系統(tǒng)實時跟蹤太陽運行軌跡的目的。光控模式是通過使用光電檢測傳感器模塊檢測比較太陽光入射角和跟蹤系統(tǒng)平面法向量之間的角度差。當角度差值超過額定值時，由控制器發(fā)送PWM脈沖信號驅(qū)動電機帶動系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)部分調(diào)整太陽能電池板轉(zhuǎn)動，通過動作減小角度差值到使得入射光再次與系統(tǒng)平面法向量平行，最終達到對入射光線實時追蹤的目的。

圖1 系統(tǒng)：（a）結(jié)構(gòu)框圖；（b）控制流程圖Fig.1 System：（a）Structure diagram；（b）Control flowchart

2 太陽光跟蹤光電檢測傳感器的設(shè)計

2.1 光電檢測傳感器的檢測原理

選用型號為OSQ50-SPB的四象限光電探測器作為核心檢測元件。光電檢測傳感器的工作原理如圖2（a）所示，當光線通過聚光透鏡入射時，會在光敏電阻上形成一個電壓差，此時可直接給出太陽偏離電池板中心法線的角度，東西方向的為：±tan-1(b/2H)，南北方向的為：±tan-1(a/2H)。光線透過聚光鏡在第四象限光電探測器上形成一個半徑為r的圓形光斑，根據(jù)已有經(jīng)驗可知R=2r，此時第四象限光電探測器的探測精度最高。探測器在接受光照時，會在四個象限分別形成IA、IB、IC、ID這4個電流。當四個象限接受光照面積相同時，各個輸出信號相同；當光斑在四象限探測器上的位置發(fā)生變化，即接受光照面積不同時，輸出信號也發(fā)生相應(yīng)變化。假設(shè)光斑中心偏離四象限探測器的中心的坐標為（ΔX，ΔY）（K為常數(shù)，且與光斑半徑r相關(guān)），則有：

X，Y軸方向分別對應(yīng)太陽的方位角方向和高度角方向，則ΔX、ΔY分別表示太陽在X、Y軸方向的實際偏差值。當ΔX=0，ΔY=0時，表示太陽光線垂直照射在太陽能電池板上。當ΔX＞0，表示太陽方位角方向西偏，反之向東偏；當ΔY＞0時，表示太陽高度角方向北偏，反之南偏。

圖2 光電檢測傳感器：（a）原理圖，（b）基本結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Photoelectric detection sensor：（a）Principle diagram ；（b）Basic structure

2.2 光電檢測傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

光電檢測傳感器結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示，其外部為一個密閉不透光的立方體，在立方體最上面有一嵌入聚光透鏡的圓形小孔，聚光透鏡的焦點位于底座上方，立方體的長、寬、高分別為a、b、H；在底座上規(guī)則的分布著四個光敏電阻R1、R2、R3、R4中間為四象限光電探測器。當太陽光線逐漸由通光孔射入立方體底座，并且四個方向的光敏電阻接受到光照時，系統(tǒng)直接輸出一個固定的校正角度使光斑照射在四象限探測器上；當太陽光線透過立方體的通光孔射入底座，并且在立方體的四象限光電探測器上形成一個圓形的光斑時，由于同一時刻太陽光照射在四象限探測器上的光照強度是相同的，此時四象限探測器各部分的輸出信號只與光敏面接受光照的面積有關(guān)。

3 控制策略及實現(xiàn)

太陽能跟蹤控制系統(tǒng)按輸出端是否存在反饋可以劃分為開環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制和混合控制四類。開環(huán)控制方法主要有時控跟蹤、視日運動軌跡跟蹤等［9～12］，半閉環(huán)控制方法則主要是通過光電編碼器讀取電機轉(zhuǎn)動的角度與光電傳感器檢測到的太陽位置進行比較得出兩個維度的角度差實現(xiàn)對太陽光線的跟蹤。按系統(tǒng)軸數(shù)分常見的太陽能跟蹤方法可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤，常用的單軸跟蹤方式有電池板平面傾斜擺放，太陽能電池板只在水平方向上偏轉(zhuǎn)和太陽能電池板只在豎直方向上偏轉(zhuǎn)等；雙軸跟蹤，即在太陽高度角和水平角兩個維度上都能夠跟蹤太陽。按跟蹤模式分太陽能跟蹤方法主要有兩種：光電跟蹤模式和太陽運動軌跡跟蹤模式［13～15］，本文將針對這兩種跟蹤控制策略做具體分析。

3.1 時控模式

太陽每天東升西落，對于地球不同位置的觀察者來說，在一年中不同的時間點會對應(yīng)不同的位置。太陽的運動是呈現(xiàn)一定的規(guī)律性的，定位太陽的位置需要兩個方向的角度來確定，也就是方位角和高度角。以地平坐標系為參考系［5］，如圖3所示，天頂角為θ，高度角為h，方位角為γ。

圖3 地平坐標系Fig.3 Horizon coordinate system

①高度角的計算

高度角、天頂角、地理緯度、赤緯角及時角之間的關(guān)系如式（3）所示：式（3）中，φ為當?shù)鼐暥?；δ為赤緯角；ω為時角。

②方位角的計算

地平坐標系中，方位角用高度角和赤緯角及時角進行計算：

赤道坐標系中的赤緯角和時角可以通過計算轉(zhuǎn)化為高度角和方位角，進而計算太陽所處的位置。只要知道地球上某一位置的經(jīng)緯度、當?shù)貢r間和積日時間，就可以通過地平坐標系的計算公式計算出該位置任意時刻太陽的方位角和高度角。

③日出時間和日落時間計算

設(shè)tc為日出時間，tI為日落時間，單位為h。則tc和tI可由日出日落時角得出，正午時，太陽的高度角為0，由式（3）和式（4）可得日出日落時角ω1和ω2表達式為：

則有：日出時間：tc=12-ω1/15；

日落時間：tI=12-ω2/15。

3.2 光控模式

由于大氣環(huán)境的多樣性，所以不能保證每天都有充足的光照，光控模式在一定程度上彌補了時控模式的不足，對光照環(huán)境分為四種情況：晴天、多云、陰雨天氣以及大風雨雪天氣，在不同的天氣狀況下采取不同的跟蹤方式進行太陽自動跟蹤，從而降低系統(tǒng)能耗，提高系統(tǒng)使用壽命，其基本思路如下：

在晴天光照充足的條件下，太陽光輻射較強，此時跟蹤精度最高，光伏發(fā)電效率提高越明顯，所以系統(tǒng)先采取時控模式進行粗跟蹤，然后采取光控模式進行精跟蹤；在多云條件下，太陽光線容易被云層干擾，不適合光控跟蹤，此時系統(tǒng)采取時控跟蹤的方式自動跟蹤太陽；陰雨天氣條件下，太陽光輻射度較弱，光電轉(zhuǎn)換效率低，系統(tǒng)進入自動休眠模式，這樣既能保證跟蹤控制精度又能有效的減少系統(tǒng)功耗；在大風雨雪條件下，系統(tǒng)進入自動保護模式，防止因惡劣的自然環(huán)境對設(shè)備造成不可逆的損壞。

4 跟蹤控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的控制流程如圖1（b）所示。首先進行系統(tǒng)初始化包括開啟STM32時鐘，設(shè)置中斷優(yōu)先級，設(shè)置串口和GPIO端口等操作。相關(guān)初始化完成后，進入判斷程序，模式有兩種：一種用于自動跟蹤，一種則是手動控制。手動控制模式主要用于系統(tǒng)調(diào)試，以及當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，手動調(diào)回適合的位置。一般情況下默認為自動模式，進入自動模式后，先讀取當前的時間，如果時間為非跟蹤時段，即日落后到日出前這段時間，則系統(tǒng)休眠，等待到達啟動時間。當?shù)竭_系統(tǒng)啟動時段，則進行下一步的判斷，以光照強度為判斷依據(jù)，若為晴天，則進入光控模式，光控模式中讀取光電檢測傳感器的數(shù)據(jù)，以傳感器數(shù)據(jù)為唯一判斷標準，通過不斷地讀取判斷太陽的位置，進行循環(huán)調(diào)節(jié)，實時性高，反應(yīng)速度快。

若光照強度不足，則進入時控模式，首先調(diào)用計算函數(shù)，計算出當前時間太陽的角度，再讀取陀螺儀的數(shù)據(jù)，如果存在角度偏差，則驅(qū)動電機向?qū)?yīng)的方向轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的步數(shù)由換算程序計算，當?shù)竭_指定位置后，則電機停轉(zhuǎn)，若在這段時間內(nèi)光照條件發(fā)生了變化，如光照強度上升，則會跳出時控模式，執(zhí)行光控子程序。完成一次跟蹤后，依次進入下一次循環(huán)。

5 結(jié)果與分析

對高精度雙軸跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電效率進行了試驗。試驗地點武漢（東經(jīng)114°23′北緯30°41′，平均海拔23.3 m）；試驗材料浦江鑫昊光電科技有限公司的單晶硅太陽能電池板，型號為XHGD-100W，峰值功率100 W，開路電壓21.5 V，短路電流5.85 A。根據(jù)試驗地區(qū)的經(jīng)緯度，經(jīng)過一定的推論分析可知固定式光伏發(fā)電的最佳傾角為30°，固定模式與混合跟蹤模式下太陽能電池板發(fā)電效率的比較，如圖4所示，混合跟蹤模式為間歇式跟蹤，每30 min啟動一次，從圖4中可以看出兩種光伏發(fā)電模式的發(fā)電效率均在11：00至14：00達到最大，太陽能電池板的發(fā)電效率在混合跟蹤模式下明顯高于固定模式。

圖4 兩種模式的發(fā)電效率對比Fig.4 Comparison of power generation efficiency by two modes

6 結(jié) 語

闡述了一種高精度太陽能雙軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計思路，系統(tǒng)融合了時鐘控制和光電跟蹤的控制方法，采用具有兩級跟蹤模式的光電檢測傳感器模塊和一種高效的基于混合跟蹤的閉環(huán)控制策略。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)在跟蹤控制精度上有較大的提升，同時通過間歇性跟蹤的方式減少了系統(tǒng)功耗。本文研制的太陽能光電檢測模塊和優(yōu)化的控制策略能有效的改善光電轉(zhuǎn)化效率，為提高光伏發(fā)電中太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率提供了新思路。

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