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        太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計

        2018-09-28 00:12:34高建軍
        智富時代 2018年8期
        關鍵詞:類型控制系統(tǒng)設計

        高建軍

        【摘 要】太陽能是當今應用最為廣泛的清潔可再生能源,但是傳統(tǒng)的固定太陽能光伏發(fā)電效率較低,無法滿足當今人們用電需求,在此背景下相關行業(yè)也提出了太陽能光伏自動跟蹤發(fā)電系統(tǒng)?;诖?,本文重點探究當今太陽能光伏發(fā)電跟蹤方式,并提出相應的系統(tǒng)設計方法。

        【關鍵詞】太陽能光伏發(fā)電;自動跟蹤;控制系統(tǒng);類型;設計

        隨著我國社會經(jīng)濟不斷發(fā)展,工業(yè)生產(chǎn)水平不斷提升,社會生產(chǎn)對電能的需求量也不斷提升。眾所周知,傳統(tǒng)發(fā)電會產(chǎn)生大量的粉塵、廢氣,對自然環(huán)境造成了嚴重的影響,而太陽能作為一種可再生的清潔能源,取之不盡用之不竭,在當今發(fā)電領域的應用十分廣泛。光伏發(fā)電(如圖1)主要利用了熱能、光能轉換,可以將太陽光轉化為電能(采用PN結電場效應發(fā)電)。當今光伏電池有很多種類,制作工藝也不盡相同,但是光伏發(fā)電的原理相同。光伏電池發(fā)電效率與太陽光照強度、電池溫度、光伏分布有著直接關系。但是傳統(tǒng)的固定光伏發(fā)電系統(tǒng)由于是被動接收太陽光,因此發(fā)現(xiàn)效率無法保障。自動跟蹤控制系統(tǒng)可以跟隨太陽進行角度轉換,時刻都可以接收太陽直射,大大提高了太陽光的接收效率。因此,加強太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)的研究有著重要意義。

        一、太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤形式

        為了能夠提高光伏發(fā)電效率,有關部門也加強了跟蹤控制系統(tǒng)的研究,并提出了多種方法,通過對這些方法進行調(diào)研發(fā)現(xiàn),當今最為理想的兩種形式分別為光電跟蹤和太陽運動軌跡跟蹤兩種,其主要表現(xiàn)在:

        (一)光電跟蹤

        光敏管可以直接感應太陽光的強弱,因此可以將光敏管安裝到光伏電池的兩側,在太陽光射入到光伏電池板上時,所產(chǎn)生的實際電能會與事先設定的閾值范圍進行對比,如果在閾值范圍內(nèi),則表示光照效果較好,不需要調(diào)整電池板的方向。但太陽光會隨著地球轉動發(fā)生角度變化,電池所生產(chǎn)的電能也會隨之減少,導致實際生產(chǎn)電能小于閾值范圍【1】。此時光敏管就會放大電信信號,控制裝置自動捕捉光照更強的角度,確保電池板和太陽光處于相對垂直的狀態(tài)(直射)。

        雖然光電跟蹤的設計更加便捷、原理簡單,但是也會受到自然條件的影響,如果是在晴天,可以根據(jù)太陽光射入角度強弱進行角度判定,從而保證發(fā)電質(zhì)量,但是到了陰天或多云天氣,由于電池板所產(chǎn)電能變少,再加上光敏管無法接受到強光,因此無法自動啟動控制裝置。

        (二)太陽運動軌跡追蹤

        太陽的升起和降落都有章可循,結合當?shù)氐臍夂蛱攸c和季節(jié)特點,即可掌握太陽運動軌跡,通過在電池板上設置控制程序,根據(jù)太陽運動軌跡即可實現(xiàn)追蹤。如果是在多云、陰天的情況下,也會按照事先設定的運動規(guī)矩進行調(diào)整。該形式可以劃分為單軸、雙軸跟蹤方法。其中,單軸以焦線為軸心,并沿著焦線垂直方向移動,可以實現(xiàn)雙向追蹤;雙軸可以實現(xiàn)高角度、多方位跟蹤,采用水平、垂直兩個轉軸共同組成,內(nèi)部結構更加復雜一些【2】。但由于我國大部分地區(qū)都處在亞熱、溫帶地區(qū),太陽高度和照射時間也會因季節(jié)出現(xiàn)變化,無論是單軸還是雙軸,都需要隨著季節(jié)變化進行調(diào)整。

        (三)對比分析與設計思路

        通過上述介紹可知,兩種形式在實際使用當中都存在著明顯的優(yōu)劣勢,因此都不符合最終的設計標準,為了能夠更好的獲取太陽能,可以將兩種追蹤形式相結合。也就是在太陽光充足時采用光敏管方法,如果天氣惡劣,沒有充足的太陽光時采用太陽運動軌跡追蹤方法,這樣即可在任何天氣狀況下最大效率的接收太陽光。

        二、太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計

        (一)設計原則

        應用太陽能光伏發(fā)電設備的最終目標是提高自然清潔能源的利用率,并且在保障經(jīng)濟效益的基礎上節(jié)省人力資源。所以在跟蹤控制設計當中需要保障整個系統(tǒng)具備足夠的拓展空間,充分考慮光伏電池體積、數(shù)量上的變化等,在平臺設計當中為未來發(fā)展提供一定的冗余。再者,在標準接口上采用軟件功能接口預留方法,以便于二次開發(fā)。為了確保跟蹤系統(tǒng)在未來使用中的靈活性,系統(tǒng)設計最好是采用模塊化設計形式,同時也可以保證整個系統(tǒng)架構的標準性、清晰度,確保整個設計系統(tǒng)的合理性和科學性。

        (二)硬件設計

        將自動跟蹤系統(tǒng)作為整個系統(tǒng)的控制單元,各種傳感器安裝到設備上為自動調(diào)控提供相關資料,包括GPS定位器、GPS接收器、入射角傳感器、磁傳感方位器、風向傳感器等。各類傳感器會不斷收集太陽光數(shù)據(jù)信息,并最終傳輸?shù)娇刂茊卧羞M行運算,在運算完畢后即可發(fā)出指令控制單片機,系統(tǒng)自動傳動電機,確保太陽能電池板與太陽光處在最佳位置(角度)。具體的設計流程為:入射角、風力、光強、風向傳感器會將相關信息傳輸?shù)絾纹瑱C模塊當中,和磁傳感器、GPS設備接受數(shù)據(jù)共同傳輸?shù)娇刂茊卧?。在控制單元當中對所捕獲的數(shù)據(jù)進行處理,之后控制驅動裝置和單片機,根據(jù)各項采集信息數(shù)據(jù)調(diào)整入光角度。雖然整個流程看似繁瑣,但是在實際操作中只需要不到0.2s的時間。

        (三)軟件設計

        在軟件設計當中,首先要進行定位處理,也就是明確太陽能電池板的所處位置,并將程序初始化。時刻關注光敏管的運行狀態(tài),結合天氣情況顯示狀態(tài)判定選擇哪種跟蹤形式(光電跟蹤還是運行軌道跟蹤)。但是無論是采用哪種太陽光跟蹤方法,都要保證系統(tǒng)能夠準確跟蹤太陽的運動位置,這樣可以及時控制電機轉動,保證電池板時刻都處于最佳位置。并通過光感器測量太陽強度,由于夜晚光照要比陰天下雨光照低非常多,因此可以設置夜晚自動閉合跟蹤系統(tǒng),電池板轉動會自動還原到初始狀態(tài)。待到第二天天亮,或光照度達到了自動運行閾值時,會自動開啟跟蹤功能【3】。實現(xiàn)全天自動化太陽光跟蹤運行模式。

        (四)自動調(diào)節(jié)功能設計

        為了減少對人力資源的使用量,針對每天天氣狀況的差異性,所以要提出自動調(diào)節(jié)功能,在系統(tǒng)設計當中要充分認識到各個傳感器功能設定。而想要實現(xiàn)精準自動化調(diào)節(jié),需要傳感器結合當?shù)靥鞖鈱嶋H情況提供更加精準數(shù)據(jù)信息,所以要事先對傳感器性能、精度進行檢查。如是否存在遮擋太陽光的大片烏云、大風天氣是否會影響光伏板角度等。風速傳感器就是在風力達到臨界值時,控制電機自動轉動,而保障光伏板和風向保持(相對)平行狀態(tài),這樣可以避免風力過大造成光伏板損壞,讓其所受到的風力達到最小,待到風力低于閾值時,即可自動調(diào)整為與太陽光相垂直的狀態(tài)。也可以設定信號采集時間,如每隔30min采集一次信息,如果在天黑,因為太陽光非常弱,無法收集太陽光,或者大風可能影響光電板安全,即可自動停止工作,并自動收回光伏板裝置。

        三、結束語

        綜上所述,合理利用太陽能資源可以降低傳統(tǒng)資源的依賴性,為節(jié)約地球不可再生能源提供相應的支持。新時期下,太陽能領域重點研究的方向就是如何提高光能收集率。本文提出了自動跟蹤控制系統(tǒng),在設計當中需要重點考慮機機械結構以及傳感器布置,通過融入多任務設計模式,如感應光照、風力等,優(yōu)化了自動跟蹤系統(tǒng)功能,從而最大化發(fā)揮太陽能光伏發(fā)電設備的積極作用。

        【參考文獻】

        [1]羅金玲. 太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術, 2015, 5(12):70-71.

        [2]張建波, 殷群. 嵌入式太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J]. 桂林電子科技大學學報, 2010, 30(3):247-249.

        [3]劉晶晶, 花燚, 廖長榮. 基于單片機的太陽能光伏發(fā)電自動跟蹤控制系統(tǒng)設計[J]. 科學技術創(chuàng)新, 2016(31):73-74.

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