陳海

（新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團興新職業(yè)技術(shù)學(xué)院，烏魯木齊 830074）

1 引言

光伏發(fā)電作為清潔能源的一種，已經(jīng)在世界各地被廣泛采用，自動跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)，能夠提高光伏發(fā)電效率近30%，能夠大大提高光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)能，但是由于自動跟蹤式光伏發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了避免氣候變化對光伏發(fā)電裝置的損壞，制作得比較厚重和巨大，與固定支架式裝置相比，造價較高，因此也限制了自動跟蹤式光伏發(fā)電裝置的應(yīng)用，若減輕設(shè)備的重量，設(shè)備強度必然要受到影響，在惡劣天氣的影響下，可能會對設(shè)備的機械結(jié)構(gòu)造成永久損壞，為了避免惡劣天氣對光伏發(fā)電裝置造成損壞，需要準(zhǔn)確判斷當(dāng)前的氣候條件，才能對設(shè)備進行準(zhǔn)確控制[1]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

跟蹤式太陽能發(fā)電裝置有機械式、電子式、光電跟蹤式和GPS定位方式跟蹤，本設(shè)計是針對光電跟蹤式太陽能發(fā)電裝置，通過判斷環(huán)境條件，判斷當(dāng)前環(huán)境的晝夜、陰晴、是否有風(fēng)，是否有雨或雪（溫度低于-5攝氏度）的狀態(tài)，通過對環(huán)境狀態(tài)的判斷，能夠有效減少風(fēng)和雪對跟蹤支架的受力，同時，通過判斷晝夜，選擇讓設(shè)備進入休眠待機狀態(tài)，通過判斷陰晴狀態(tài)，選擇設(shè)備進行光電跟蹤還是視日軌跡跟蹤（計算跟蹤方式）[2]。

重點是傳感器判斷為大風(fēng)天氣時，應(yīng)將光伏面板調(diào)整為水平放置狀態(tài)，減少受風(fēng)面積，避免設(shè)備損壞。

當(dāng)液體傳感器檢測到有雨或雪的時候，進一步通過溫度傳感器的輸入信號，判斷溫度是否低于-5℃，當(dāng)溫度低于-5℃時，則判斷為有雪，此時應(yīng)將光伏面板的姿態(tài)調(diào)整為垂直放置，以減小光伏面板的落雪面積，減少設(shè)備壓力，盡可能地避免設(shè)備的損壞。

3 硬件設(shè)計模塊

自動跟蹤式太陽能光伏發(fā)電保護系統(tǒng)框圖如圖1所示。

各種傳感器接收外界氣象條件后，除雨雪傳感器輸出為高低電平的數(shù)字信號外，其他傳感器均輸出模擬量信號，處理電路將相應(yīng)的模擬量信號，在與比較器反相端已設(shè)定的閾值信號作比較后，輸出相應(yīng)的高低電平信號，用于單片機判斷當(dāng)前的外界氣象條件。單片機根據(jù)控制邏輯，執(zhí)行相應(yīng)的保護或者跟蹤程序。

在需要進行軌跡跟蹤時，單片機通過讀取DS1302芯片，來獲取當(dāng)前時間；同時單片機采集ADXL335芯片信息，來確定當(dāng)前設(shè)備的姿態(tài)，即高度角和方位角信息，通過單片機調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)和參數(shù)，通過執(zhí)行控制邏輯，對電機驅(qū)動模塊和反相器的輸入端的電平進行控制，輸入不同的電平值，對高度角電機和方向角電機的方向、啟停進行控制，來調(diào)整設(shè)備姿態(tài)。

圖1 系統(tǒng)框圖

4 系統(tǒng)控制邏輯

不管是否夜晚，只要檢測大風(fēng)情況，為保護設(shè)備，減少受風(fēng)面積，啟動電池放平程序，只需給啟動信號，開始放平后，就由外部繼電器保持自鎖，當(dāng)完全放平后觸動外部的行程開關(guān)，開關(guān)常閉斷開后停止放平過程。

在無風(fēng)的情況下先檢測陰晴，由于檢測陰晴的傳感器也是光電傳感器，在天黑的時候檢測結(jié)果也會判斷為陰天，這樣就能保證不管是白天還是晚上，只要光照強度高于閾值，需要進行跟蹤，在跟蹤方式選擇上，先檢測光電跟蹤模塊，若檢測到有光線照射在光電跟蹤模塊上，可判斷為面板基本朝向太陽，則進行光電跟蹤，若光電跟蹤模塊無法檢測到陽光，則可判斷太陽方位和面板朝向差別較大，該差別是由系統(tǒng)進行保護性調(diào)整姿態(tài)或系統(tǒng)長時間由于陰雨，夜晚的待機，導(dǎo)致長時間未執(zhí)行跟蹤程序，則需要通過軌跡跟蹤的方式先進行粗跟蹤，軌跡跟蹤結(jié)束后再用光電跟蹤的方式進行微調(diào)。該方式是為了在經(jīng)過夜晚或保護后可以快速調(diào)整姿態(tài)，進行跟蹤。

反之，若光線較弱，則先判斷是否有雨雪，在檢測到?jīng)]有雨雪的情況下先判斷是否是晚上，若不是晚上就進行軌跡跟蹤，若是晚上就休眠。若通過檢測判斷已經(jīng)下雨或下雪，則檢測溫度是否低于-5℃，當(dāng)下雨同時溫度低于-5℃即判斷為下雪，太陽能電池板調(diào)整為垂直放置，減小落雪面積，若溫度不低于-5℃，判斷為僅有降雨的情況下，系統(tǒng)待機。

5 軟件流程圖

系統(tǒng)主程序流程圖如圖2所示。

系統(tǒng)的運行順序如下：系統(tǒng)開始后進行初始化，然后自檢，若自檢失敗，結(jié)束程序，當(dāng)自檢成功后執(zhí)行跟蹤保護程序：首先判斷風(fēng)速，若風(fēng)速超限，無論太陽能面板處于何種狀態(tài)，驅(qū)動高度角電機正轉(zhuǎn)，將電池放平減少受風(fēng)面積（高度角為90°）。若風(fēng)速未超過限定值，則先判斷陰晴傳感器P1.0口電平是否為高電平，若結(jié)果為否（低電平），則此時光照強度較強，可以肯定不是夜晚，然后檢測是否可以開始光電跟蹤，通過檢測D0是否有光線照射在上面來判斷，若有光線照射為低電平時，直接進行光電跟蹤，若D0無光線照射在上面，此時先進行軌跡跟蹤，粗跟蹤后，再進行光電跟蹤細(xì)微調(diào)整。若陰晴檢測電路檢測為陰天（光照強度弱，可能是晚上）時，先判斷雨雪檢測模塊設(shè)計是否有雨或雪，若檢測沒有雨雪，檢測是否為晚上，此時有兩種情況，一種是沒有雨雪的白天，光強較弱，則進行軌跡跟蹤，若是沒有雨雪的夜晚，系統(tǒng)什么都不做調(diào)整。若雨雪傳感器檢測到有雨雪，則判斷是否低溫，同樣有兩種情況：一種是有雨雪但溫度不低（下雨），無論是白天還是夜晚，系統(tǒng)保持不動；另一種是有雨雪，溫度較低（判斷為有雪），此時驅(qū)動高度角電機反轉(zhuǎn)，調(diào)整面板姿態(tài)為豎直放置（高度角為0°），減少落雪面積。

圖2 太陽能跟蹤裝置保護系統(tǒng)流程圖

6 系統(tǒng)硬件調(diào)試

電路搭建后通過測量各傳感器在不同條件下的輸出電壓，調(diào)節(jié)各電位器，使得比較器的輸出電壓值和電路設(shè)計中的電壓值一致，能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化準(zhǔn)確響應(yīng)，能夠給單片機一個準(zhǔn)確的輸入信號，用于單片機判斷外界條件，能夠準(zhǔn)確控制太陽能面板的工作姿態(tài)。