黃種明，許志龍，李 煌

光伏光熱一體機(jī)的雙光電跟蹤太陽(yáng)控制器研制

黃種明，許志龍，李 煌

（集美大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，廈門(mén) 361021）

針對(duì)聚光型光伏光熱一體機(jī)的太陽(yáng)跟蹤精度和跟蹤范圍相互制約問(wèn)題，設(shè)計(jì)了粗跟蹤和精跟蹤雙光電傳感器，由粗跟蹤光電傳感器大范圍捕捉太陽(yáng)位置，精跟蹤光電傳感器精確地把聚光光斑鎖定在整塊光伏電池板上；分析聚光光斑跟蹤精度，計(jì)算驅(qū)動(dòng)推桿運(yùn)行頻率；采用單片機(jī)控制電路，優(yōu)化跟蹤控制策略，使得雙光電傳感器協(xié)調(diào)穩(wěn)定工作。試驗(yàn)研究表明該雙光電跟蹤太陽(yáng)控制器用于光伏光熱一體機(jī)，可實(shí)現(xiàn)0°～180°捕捉太陽(yáng)，且跟蹤誤差小于0.5°；光伏光熱一體機(jī)可獲得電能和熱能的雙重效益。

太陽(yáng)能；控制器；聚光單元；光伏效果；光熱效果；光電傳感器

0 引 言

由于化石燃料的大量使用，人類自身居住的生態(tài)環(huán)境遭受了嚴(yán)重的污染和破壞[1-3]。很多學(xué)者對(duì)可再生能源開(kāi)展了廣泛深入的研究，太陽(yáng)能資源豐富具有無(wú)可爭(zhēng)議的優(yōu)勢(shì)，世界各地正把太陽(yáng)能的利用作為重要的發(fā)展方向[4-6]。太陽(yáng)輻照能量密度低，其穩(wěn)定性較差，使得利用率低于預(yù)期狀態(tài)[7-9]。自1977年Russell[10]提出光伏/光熱系統(tǒng)以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)此進(jìn)行了大量理論和試驗(yàn)研究[11-14]。許志龍等[15-17]設(shè)計(jì)了一種聚光跟蹤光伏光熱一體機(jī)，通過(guò)水交換系統(tǒng)有效解決聚光光伏電池板的散熱問(wèn)題，提高了光伏電池板的轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)收集太陽(yáng)光熱，從而達(dá)到高效、低成本的太陽(yáng)能光伏、光熱綜合利用。

采用太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)可提高太陽(yáng)能利用率。Sungur等[18]利用西門(mén)子S7-200設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)雙軸太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)相比固定系統(tǒng)獲得的能量增加了42.6%。中國(guó)科學(xué)院劉四洋等[19]在對(duì)太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了主動(dòng)式雙軸太陽(yáng)跟蹤控制裝置，使光伏陣列跟蹤太陽(yáng)的角度誤差始終保持在2之內(nèi)，系統(tǒng)發(fā)電量比固定式提升30%。Sidek等[20]采用GPS、微控制器單元和編碼器等技術(shù)，通過(guò)太陽(yáng)路徑軌跡天文算法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)跟蹤，在晴天和陰天時(shí)，該太陽(yáng)能跟蹤器的發(fā)電量比固定式傾斜光伏發(fā)電系統(tǒng)分別高26.9%和12.8%。為了提高太陽(yáng)能利用率，很多學(xué)者對(duì)太陽(yáng)跟蹤控制器開(kāi)展系列研究。謝漪等[21]設(shè)計(jì)一種四象限太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟蹤誤差小于0.5°。Bentaher等[22]設(shè)計(jì)了一種基于光敏電阻的太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，對(duì)跟蹤精度與光敏電阻的最佳角度進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)研究。Chen等[23]設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，采用視日運(yùn)行軌跡跟蹤，實(shí)現(xiàn)精度高、能耗低、壽命長(zhǎng)、保護(hù)功能完善等，系統(tǒng)采用伺服電機(jī)和光電編碼器。朱國(guó)棟等[24]將光電式太陽(yáng)跟蹤和視日軌跡跟蹤相互結(jié)合解決了大范圍和高精度制約問(wèn)題。張學(xué)剛等[25]設(shè)計(jì)一種全天候太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)，適合于對(duì)跟蹤精度要求不是特別苛刻，并且對(duì)跟蹤控制系統(tǒng)有廉價(jià)要求的場(chǎng)合。上述研究發(fā)現(xiàn)，采用太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)比固定式光伏發(fā)電太陽(yáng)利用率有較大提高；采用光敏電阻制作的跟蹤控制，跟蹤精度高，但跟蹤范圍一般在90°內(nèi)；采用視日運(yùn)行軌跡跟蹤是一個(gè)無(wú)反饋系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全天候跟蹤，不受外界氣象環(huán)境干擾，但會(huì)形成累積誤差，跟蹤誤差一般大于0.5°；采用光電式太陽(yáng)跟蹤和視日軌跡跟蹤相互結(jié)合，解決了大范圍和高精度制約問(wèn)題，但跟蹤系統(tǒng)較復(fù)雜，性價(jià)比不高。以上跟蹤控制方法，均采集直射光進(jìn)行控制，無(wú)法解決聚光光伏光熱一體機(jī)由于機(jī)械變形引起的跟蹤誤差。

本文研制一種雙傳感器聯(lián)合控制的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤控制器，設(shè)計(jì)了粗跟蹤和精跟蹤雙光電傳感器，由粗跟蹤光電傳感器大范圍捕捉太陽(yáng)位置、精跟蹤光電傳感器把聚光光斑精確鎖定在整塊光伏電池板上，以期解決單一光電傳感器跟蹤精度和跟蹤范圍相互制約問(wèn)題，且粗跟蹤和精跟蹤雙光電傳感器均由太陽(yáng)能電池片制作，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)提供參考。

1 光伏光熱一體機(jī)聚光跟蹤方案

照射到光伏電池板表面的太陽(yáng)能除了轉(zhuǎn)化為電能，還轉(zhuǎn)化為熱能[26-27]。通過(guò)導(dǎo)熱介質(zhì)帶走太陽(yáng)電池組件背面的熱量，降低電池板溫度，提高光電轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)還收集熱能，稱之為光伏光熱一體化（Photovoltaic/ Thermal，PV/T）系統(tǒng)。

光伏光熱一體機(jī)采用鏡面反射原理，將太陽(yáng)光反射到聚光電池組件上，實(shí)現(xiàn)數(shù)倍聚光功能，從而提高單位面積太陽(yáng)能電池的發(fā)電量；通過(guò)PV/T板內(nèi)的流水對(duì)電池片進(jìn)行冷卻降溫的同時(shí)，收集部分匯聚的光熱。其原理如圖1所示，安裝在聚光單元1的多塊平面反射鏡將太陽(yáng)光匯聚到聚光電池組件2上，多個(gè)聚光單元1固定在方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸5上，通過(guò)方位角推桿3帶動(dòng)方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸5轉(zhuǎn)動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)方位角。所有聚光單元1通過(guò)高度角聯(lián)動(dòng)架6連接在一起，由高度角推桿4推動(dòng)形成平行四邊形連桿擺動(dòng)，跟蹤太陽(yáng)高度角。多個(gè)聚光單元1由一套方位角推桿3和高度角推桿4二維聯(lián)動(dòng)跟蹤太陽(yáng)運(yùn)行。粗跟蹤光電傳感器7安裝在聚光單元1頂上，隨聚光單元1轉(zhuǎn)動(dòng)；精跟蹤光電傳感器8安裝在聚光電池組件2的四個(gè)角上?？刂齐娐吠ㄟ^(guò)粗跟蹤光電傳感器7和精跟蹤光電傳感器8輪流捕捉太陽(yáng)位置，驅(qū)動(dòng)方位角推桿3和高度角推桿4，使聚光光斑鎖定在聚光電池組件2上，達(dá)到聚光架的精確跟蹤太陽(yáng)。

2 雙光電傳感器聯(lián)合控制

2.1 光電傳感器信號(hào)調(diào)理電路

太陽(yáng)能電池片將太陽(yáng)輻射光能直接轉(zhuǎn)換為電能[28]。當(dāng)受光照的太陽(yáng)電池接上負(fù)載時(shí)，光生電流s流經(jīng)負(fù)載1，并在負(fù)載兩端形成電壓s，經(jīng)比例放大后轉(zhuǎn)成標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)1。本文利用太陽(yáng)能電池片來(lái)制作光電傳感器。其信號(hào)調(diào)理電路如圖2所示，太陽(yáng)能電池板光生電流s經(jīng)調(diào)理后的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)1為

式中為光照強(qiáng)度，W/m2；為太陽(yáng)能電池片面積，m2；為轉(zhuǎn)換系數(shù)；0為太陽(yáng)能電池片內(nèi)阻，Ω；1為負(fù)載電阻，Ω；3、4為比例放大電阻，Ω。

2.2 粗跟蹤光電傳感器

為大范圍捕捉太陽(yáng)位置，在一長(zhǎng)方體側(cè)面安裝四塊光電傳感器，制作的粗跟蹤光電傳感器如圖3a所示，其對(duì)太陽(yáng)光的采集范圍0°～180°。東西兩塊傳感器用于捕捉太陽(yáng)方位角，南北兩塊傳感器用于捕捉太陽(yáng)高度角。

注：R1為負(fù)載電阻，Ω；R2為平衡電阻，Ω；R3、R4為比例放大電阻，Ω；C1為濾波電容，F(xiàn)；Is為光生電流，A；Us為負(fù)載電阻R1兩端電壓，V；U1為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，V。

粗跟蹤光電傳感器通過(guò)長(zhǎng)方體基座四個(gè)側(cè)面上的太陽(yáng)能電池片接收太陽(yáng)光斑。如圖3b所示，當(dāng)太陽(yáng)處于東南方位時(shí)，其東面?zhèn)鞲衅鞯碾妷盒盘?hào)為

式中東為東面?zhèn)鞲衅麟妷盒盘?hào)，V。

安裝在粗跟蹤光電傳感器西面電池片由于無(wú)法接收到太陽(yáng)光線直射，其電壓信號(hào)西≈0，這時(shí)粗跟蹤方位角電壓信號(hào)差東西≈東。由粗跟蹤方位角電壓信號(hào)差東西控制方位角推桿運(yùn)行，使得角度逐步減小，當(dāng)光線垂直粗跟蹤光電傳感器頂面時(shí)，東西=0，這時(shí)方位角推桿停止運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)方位角的粗跟蹤定位。同理，可得太陽(yáng)高度角的粗跟蹤定位。

當(dāng)陰天時(shí)，太陽(yáng)直射光比例很小，無(wú)法形成反射光斑，聚光架不啟動(dòng)運(yùn)行。方位角運(yùn)行啟動(dòng)閾值設(shè)為0東西，高度角運(yùn)行啟動(dòng)閾值設(shè)為0南北。

2.3 精跟蹤光電傳感器

粗跟蹤光電傳感器控制方位角推桿和高度角推桿運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)平面鏡反射的聚光光斑隨之變化，當(dāng)聚光光斑被精跟蹤光電傳感器檢測(cè)到，粗跟蹤光電傳感器把控制權(quán)限交給精跟蹤光電傳感器。聚光單元光路原理圖如圖4a所示，平面鏡2安裝在聚光鏡架1上，當(dāng)太陽(yáng)光豎直向下照射時(shí)，其光線反射到聚光電池板3。

由鏡面反射原理得出：入射光的偏離角度與反射光線的偏離角度相等[29]。如圖4b所示，當(dāng)E點(diǎn)反射光線的偏離角度小于′時(shí)，聚光光斑被精跟蹤光電傳感器檢測(cè)到，進(jìn)入精跟蹤環(huán)節(jié)。入射光偏離角度為

式中EF、EG、FG分別代表△EFG的三邊長(zhǎng)度，mm。

當(dāng)太陽(yáng)偏東南方位時(shí)，安裝在西北方向的精跟蹤光電傳感器檢測(cè)到聚光光斑，安裝在東北、東南、西南方向的精跟蹤光電傳感器均無(wú)信號(hào)，此時(shí)聚光架須朝東南方向運(yùn)動(dòng)。當(dāng)西北=東北時(shí)，方位角推桿停止運(yùn)行；當(dāng)西北=西南時(shí)，高度角推桿停止運(yùn)行。此時(shí)，聚光架對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，聚光光斑照射在整塊聚光電池組件上，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)的精跟蹤定位。

如圖4b所示，隨著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，聚光光斑從F點(diǎn)移動(dòng)到點(diǎn)，此時(shí)需要啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)推桿跟蹤太陽(yáng)，以保證聚光光斑鎖定在聚光電池板上，故精跟蹤光電傳感器的跟蹤精度為

式中HF為精跟蹤傳感器的寬度，mm；EF為聚光鏡面到電池組件左側(cè)的距離，mm。

1.聚光鏡架 2.平面鏡 3.聚光電池組件 4.精跟蹤光電傳感器

1.Condenser frame 2.Plane mirror 3.Concentrating cell components 4.Fine tracking photoelectric sensor

注：EF為聚光鏡面到電池組件左側(cè)距離，mm；EG為聚光鏡面到電池組件右側(cè)距離，mm；FG為聚光電池組件的寬度，mm；HF為精跟蹤傳感器寬度，mm；為入射光偏離角度，(°)；′為反射光偏離角度，(°)；為精跟蹤光電傳感器的跟蹤精度，(°)。

Note: EF is the distance from the condenser mirror to the left side of the battery assembly, mm; EG is the distance from the condenser mirror to the right side of the battery assembly, mm; FG is the width of the concentrating battery assembly, mm; HF is the width of the fine tracking sensor, mm ;is the deviation angle of the incident light, (°);′ is the deviation angle of the reflected light, (°);is the tracking accuracy of the fine tracking photoelectric sensor, (°).

圖4 聚光單元光路原理圖

Fig.4 Schematic diagram of light path of concentrating unit

2.4 控制電路

控制電路采用單片機(jī)Atmega32為核心的計(jì)算處理模塊，通過(guò)CD單端8通道數(shù)字控制模擬電子開(kāi)關(guān)擴(kuò)展其IO端口，其框架圖如圖5所示。信號(hào)調(diào)理電路采集粗跟蹤光電傳感器、精跟蹤光電傳感器和聚光電池組件溫度，生成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)傳輸給計(jì)算處理模塊；經(jīng)計(jì)算處理，發(fā)出控制命令給驅(qū)動(dòng)模塊，驅(qū)動(dòng)方位角推桿、高度角推桿和電磁閥。保護(hù)模塊由驅(qū)動(dòng)推桿超限保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、控制電路板過(guò)熱保護(hù)、聚光電池組件溫度保護(hù)等組成。電源濾波電路輸出穩(wěn)定的電源給信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算處理模塊。同時(shí)，設(shè)計(jì)按鍵模塊用于手動(dòng)控制和參數(shù)設(shè)定；設(shè)計(jì)顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示運(yùn)動(dòng)過(guò)程和采集信號(hào)；設(shè)計(jì)通訊模塊用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制。

2.5 控制流程

為了減小非工作時(shí)間聚光架的受力，在晚上或陰天控制方位角推桿和高度角推桿運(yùn)動(dòng)，把聚光架調(diào)到水平復(fù)位狀態(tài)。有太陽(yáng)光照射時(shí)，粗跟蹤傳感器東、西、南、北四塊電池片的輸出電壓信號(hào)會(huì)不一致（東西>0東西或南北>0南北），光伏光熱一體機(jī)進(jìn)入粗跟蹤程序，由方位角推桿和高度角推桿把太陽(yáng)光聚集到聚光電池組件上，當(dāng)精跟蹤光電傳感器檢測(cè)到聚光光斑，進(jìn)入精跟蹤程序。跟蹤流程圖如圖6所示。

3 光伏光熱一體機(jī)研制

3.1 樣機(jī)試制

所研制4個(gè)聚光單元聯(lián)動(dòng)的光伏光熱一體機(jī)如圖7所示，主要參數(shù)：長(zhǎng)12 m×寬2.4 m×高2 m，每臺(tái)機(jī)組采光面積15 m2，理論聚光比=8.4，功率1 kW；粗跟蹤和精跟蹤傳感器所采用的太陽(yáng)能電池片：尺寸40 mm× 20 mm，開(kāi)路電壓2 V，短路電流60 mA。

1.聚光單元 2.聚光電池組件 3.方位角推桿 4.高度角推桿 5.方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸 6.高度角聯(lián)動(dòng)架 7.粗跟蹤光電傳感器 8.精跟蹤光電傳感器

光伏光熱一體機(jī)粗跟蹤傳感器7安裝在聚光單元1的頂部，用于大范圍捕捉太陽(yáng)方位角和高度角，根據(jù)粗跟蹤傳感器的信號(hào)差，由控制電路帶動(dòng)方位角推桿3和高度角推桿4運(yùn)動(dòng)，通過(guò)方位角傳動(dòng)長(zhǎng)軸5和高度角聯(lián)動(dòng)架6實(shí)現(xiàn)所有聚光單元1初定位；精跟蹤傳感器8安裝在聚光電池組件2的四個(gè)角上，當(dāng)聚光光斑進(jìn)入聚光電池組件2時(shí)，控制電路把控制權(quán)交給精跟蹤傳感器8，控制電路根據(jù)精跟蹤傳感器8的信號(hào)差帶動(dòng)方位角推桿3和高度角推桿4運(yùn)動(dòng)，把聚光光斑實(shí)時(shí)鎖定聚光電池組件2上，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)精確跟蹤。粗跟蹤傳感器7和精跟蹤傳感器8都是采用太陽(yáng)能電池片制作的光電傳感器，性價(jià)比高。所研制的雙光電太陽(yáng)跟蹤控制器形成閉環(huán)跟蹤太陽(yáng)，可消除聚光架本身的傳動(dòng)誤差，確保聚光器穩(wěn)定、高精度跟蹤太陽(yáng)。

3.2 樣機(jī)測(cè)試

3.2.1 試驗(yàn)條件

時(shí)間：2018年7月11日7:00—18:00；地點(diǎn)：廈門(mén)（東經(jīng)118.09°，北緯24.56°）；天氣：晴朗，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤試驗(yàn)。

3.2.2 測(cè)試方法

1）在方位角與高度角傳動(dòng)軸上分別安裝角度傳感器（精度0.1°），每隔1 min采集一次一體機(jī)跟蹤太陽(yáng)的方位角與高度角信息。2）一體機(jī)所發(fā)的電通過(guò)逆變器與電網(wǎng)相連，由逆變器直接測(cè)量一體機(jī)的發(fā)電量。3）將聚光電池組件集熱板進(jìn)水口與自來(lái)水管相接，出水口接至熱水箱，在進(jìn)出水口各裝有電磁閥，設(shè)定聚光電池組件溫度不低于 60 ℃打開(kāi)電磁閥，溫度低于55 ℃關(guān)閉電磁閥，根據(jù)熱水箱所收集的熱水體積和溫升計(jì)算光熱效果。

3.2.3 測(cè)試結(jié)果分析

光伏光熱一體機(jī)當(dāng)天發(fā)電量為3.94 kW·h，聚光電池組件溫度始終在53～60 ℃之間工作，收集光熱18.25 MJ（5.07 kW·h）。

精跟蹤光電傳感器光斑跑偏10 mm時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)方位角推桿跟蹤太陽(yáng)，精跟蹤傳感器到聚光鏡面的距離為120 cm，根據(jù)式（4）得≈0.48°。聚光架靜止時(shí)，隨著太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，方位角誤差逐漸增大，當(dāng)一體機(jī)跟蹤方位角與太陽(yáng)方位角誤差′-<-時(shí)，啟動(dòng)方位角推桿，此時(shí)方位角誤差逐漸變小直至等于0；隨著方位角推桿繼續(xù)運(yùn)行，方位角誤差逐漸增大，直至′-≥，方位角推桿停止運(yùn)行。同理，可得太陽(yáng)高度角的跟蹤控制方法。

把跟蹤方位角和高度角試驗(yàn)數(shù)據(jù)與天文算法理論[30]數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，繪制方位角和高度角跟蹤誤差如圖8所示。圖8a為全天太陽(yáng)方位角跟蹤誤差圖，方位角跟蹤誤差小于0.5°。由于當(dāng)天太陽(yáng)方位角上午和下午變化緩慢，中午快速變化，方位角推桿運(yùn)動(dòng)頻率呈慢-快-慢，8:00—9:00和16:00—17:00時(shí)間段，方位角推桿約13 min運(yùn)行一次，中午11:30—12:30時(shí)間段太陽(yáng)方位角變化很大，方位角推桿頻繁驅(qū)動(dòng)。太陽(yáng)高度角誤差如圖8b所示，其跟蹤精度小于0.5°，高度角推桿運(yùn)行時(shí)間間隔始終保持4～5 min/次。

3.3 中試電站

本項(xiàng)目籌建一個(gè)5 kW平板晶硅電站和一個(gè)5 kW光伏光熱一體機(jī)電站，如圖9所示。平板電站采用固定角度安裝5 kW太陽(yáng)能電池板；光伏光熱一體機(jī)電站安裝4臺(tái)光伏光熱一體機(jī)，共使用0.64 kW聚光太陽(yáng)能電池板和1.28 kW跟蹤太陽(yáng)能電池板。與傳統(tǒng)的平板晶體硅電站相比，光伏光熱一體機(jī)電站減少了太陽(yáng)能電池板，增加了聚光器、跟蹤系統(tǒng)和集熱裝置，制造成本基本持平。平板晶體硅電站與光伏光熱一體機(jī)電站所發(fā)的電通過(guò)逆變器與電網(wǎng)相連，由逆變器直接測(cè)量發(fā)電量；光伏光熱一體機(jī)所產(chǎn)生的熱水收集至熱水箱，根據(jù)熱水箱所收集的熱水體積和溫升計(jì)算光熱效果。

在廈門(mén)集美地區(qū)，通過(guò)一整年（2018年5月1日—2019年4月30日）的實(shí)際運(yùn)行，平板電站發(fā)電量4 217 kW·h，一體機(jī)電站發(fā)電量4 331 kW·h，兩電站總發(fā)電量接近，一體機(jī)電站還收集15 923 MJ的光熱（由熱水收集系統(tǒng)計(jì)量）。由于精跟蹤傳感器直接采集聚光光斑信號(hào)，經(jīng)計(jì)算處理后驅(qū)動(dòng)高度角推桿和方位角推桿，跟蹤系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，聚光光伏光熱一體機(jī)可消除機(jī)械變形引起的跟蹤誤差，該一體機(jī)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

4 結(jié) 論

本文研制光伏光熱一體機(jī)的雙光電跟蹤太陽(yáng)控制器，實(shí)現(xiàn)一體機(jī)大范圍、精確跟蹤太陽(yáng)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)試表明：

1）通過(guò)粗跟蹤光電傳感器可實(shí)現(xiàn)大范圍（0°～180°）捕捉太陽(yáng)位置，經(jīng)控制電路驅(qū)動(dòng)一體機(jī)的高度角推桿及方位角推桿，把聚光光斑定位在精跟蹤傳感器的接收范圍。

2）精跟蹤傳感器安裝在聚光電池組件的四個(gè)角上，跟蹤系統(tǒng)形成閉環(huán)控制，可消除聚光架本身的傳動(dòng)誤差，把聚光光斑精確鎖定在聚光電池組件上，確保聚光器穩(wěn)定、高精度跟蹤太陽(yáng)，跟蹤誤差小于0.5°。

3）光伏光熱一體機(jī)可提高單位面積太陽(yáng)電池板的發(fā)電量，并有效解決聚光電池組件的散熱問(wèn)題，把無(wú)法轉(zhuǎn)化為電能的光熱儲(chǔ)存起來(lái)，獲得電能和熱能的雙重效益。

[1]劉云龍，章忠柯，陳剛. 新能源的開(kāi)發(fā)與利用[J]. 技術(shù)與市場(chǎng)，2015，22(1)：154.

Liu Yunlong, Zhang Zhongke, Chen Gang. Development and utilization of new energy[J]. Technology and Market, 2015, 22(1): 154. (in Chinese with English abstract)

[2]王文興，柴發(fā)合，任陣海，等. 新中國(guó)成立70年來(lái)我國(guó)大氣污染防治歷程、成就與經(jīng)驗(yàn)[J]. 環(huán)境科學(xué)研究，2019，32(10)：1621-1635.

Wang Wenxing Chai Fahe, Ren Zhenhai, et al. Process, achievements and experience of air pollution control in China since the founding of the People's Republic of China 70 years ago[J]. Research of Environmental Sciences, 2019, 32(10): 1621-1635. (in Chinese with English abstract)

[3]Wuebbles D J, Jain A K. Concerns about climate change and the role of fossil fuel use[J]. Fuel Processing Technology, 2001, 71(1/2/3): 99-119.

[4]閆云飛，張智恩，張力，等. 太陽(yáng)能利用技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33(S1)：47-56.

Yan Yunfei, Zhang Zhien, Zhang Li, et al. Application and utilization technology of solar energy[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(S1): 47-56. (in Chinese with English abstract)

[5]Chow, Tin Tai. A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology[J]. Applied energy, 2010, 87(2): 365-379.

[6]金朗，曹飛韶. 我國(guó)可再生能源發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[J]. 生態(tài)經(jīng)濟(jì)，2017，33(10)：10-13.

[7]Erdinc O, Uzunoglu M. Optimum Design of hybrid renewable energy systems: Overview of different approaches[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, 16(3): 1412-1425.

[8]Sumathi V, Jayapragash R, Bakshi A, et al. Solar tracking methods to maximize PV system output: A review of the methods adopted in recent decade[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2017, 74: 130-138.

[9]Huang B J, Ding W L, Huang Y C. Long-term field test of solar PV power generation using one-axis 3-position sun tracker[J]. Solar Energy, 2011, 85(9): 1935-1944.

[10]Russell C R. Optical concentrator and cooling system for photovoltaic cells[P]. 1977-10-04.

[11]Huang B J, Lin T H, Hung W C, et al. Performance evaluation of solar photovoltaic/thermal systems[J]. Solar Energy, 2001, 70(5): 443-448.

[12]Jia Y, Alva G, Fang G. Development and applications of photovoltaic–thermal systems: A review[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, 102: 249-265.

[13]Joshi S S, Dhoble A S. Photovoltaic-thermal systems (PVT): technology review and future trends[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2018, 92: 848-882.

[14]曲明璐，盧明琦，宋小軍，等. 蓄熱型太陽(yáng)能光伏光熱組件與熱泵一體化系統(tǒng)模擬研究[J]. 流體機(jī)械，2020，48(8)：82-88.

Qu Minglu, Lu Mingqi, Song Xiaojun, et al. Simulation and optimization of heat storage type solar photovoltaic solar-thermal components integration with heat pump system[J]. Fluid Machinery, 2020, 48(8): 82-88. (in Chinese with English abstract)

[15]許志龍，劉菊東，王成志，等. 聚光跟蹤光伏光熱一體機(jī)聯(lián)動(dòng)裝置的研制[J]. 中國(guó)機(jī)械工程，2011，22(21)：2536-2540.

Xu Zhilong, Liu Judong, Wang Chengzhi et al. Solar focussing and tracking interlocks for photovoltaic and thermal integration device[J]. China Mechanical Engineering, 2011, 22(21): 2536-2540. (in Chinese with English abstract)

[16]許志龍，王成志，劉菊東，等. 水平十字交錯(cuò)軸二維太陽(yáng)跟蹤裝置的研制[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2013，34(6)：1044-1050.

Xu Zhilong, Wang ChengzhiZ, Liu Judong, et al. Design of two-dimension solar tracking device with horizontal staggered cross axis[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2013, 34(6): 1044-1050. (in Chinese with English abstract)

[17]許志龍，劉菊東，黃種明，等. 聚光跟蹤光伏&光熱一體機(jī)熱性能[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2012，33(3)：500-505.

Xu Zhilong, Liu Judong, Huang Zhongming, et al. Thermal performance on the integration device for focus-solar photovoltaic /thermal[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012, 33(3): 500-505. (in Chinese with English abstract)

[18]Sungur C. Multi-axes sun-tracking system with PLC control for photovoltaic panels in Turkey[J]. Renewable Energy, 2009, 34(4): 1119-1125.

[19]劉四洋，伍春生，彭燕昌，等. 主動(dòng)式雙軸太陽(yáng)跟蹤控制器[J]. 可再生能源，2007(6)：69-72.

Liu Siyang, Wu Chunsheng, Peng Yanchang, et al. The design of active two-axe solar tracking controller[J]. Renewable Energy Resources, 2007(6): 69-72. (in Chinese with English abstract)

[20]Sidek M H M, Azis N, Hasan W Z W, et al. Automated positioning dual-axis solar tracking system with precision elevation and azimuth angle control[J]. Energy, 2017, 124: 160-170.

[21]謝漪，謝翠婷，葉創(chuàng)輝. 一種四象限太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2017，46(2)：37-41.

Xie Yi, Xie Cuiting, Ye Chuanghui. A design of four-quadrant solar tracking control system[J]. Mechanical & Electrical Engineering Technology, 2017, 46(2): 37-41. (in Chinese with English abstract)

[22]Bentaher H, Kaich H, Ayadi N, et al. A simple tracking system to monitor solar PV panels[J]. Energy Conversion and Management, 2014, 78: 872-875.

[23]Chen J, Zhou T, Yang S. Photovoltaic generation solar automatic tracking system[C]//IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. IOP Publishing, 2018.

[24]朱國(guó)棟，王成龍，馬軍，等. 一種高精度太陽(yáng)跟蹤控制裝置研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2018，31(6)：830-835.

Zhu Guodong, Wang Chenglong, Ma Jun, et al. The research on high accuracy solar tracking control device[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2018, 31(6): 830-835. (in Chinese with English abstract)

[25]張學(xué)剛，謝永春，譚興強(qiáng). 可修正跟蹤精度的低成本全天候太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2015，31(24)：59-63.

Zhang Xuegang Xie Yongchun, Tan Xingqiang. Development of inexpensive all-weather solar tracking control system for amendable tracking precision[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2015, 31(24): 59-63. (in Chinese with English abstract)

[26]季杰，程洪波，何偉，等. 太陽(yáng)能光伏光熱一體化系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 太陽(yáng)能學(xué)報(bào)，2005，26(2)：170-173.

Ji Jie, Cheng Hongbo, He Wei, et al. Experimental study on a hybrid photovoltaic/thermal solar system[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2005, 26(2): 170-173. (in Chinese with English abstract)

[27]許海園，周建強(qiáng)，張興，等. 太陽(yáng)能光伏光熱一體化PV/T組件的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 能源研究與管理，2019(3)：53-56, 75.

Xu Haiyuan, Zhou Jianqiang, Zhang Xing, et al. Experimental study of the hybrid photovoltaic-thermal solar panel[J]. Energy Research and Management, 2019(3): 53-56, 75. (in Chinese with English abstract)

[28]夏天豪，陶煜. 太陽(yáng)能電池的原理、發(fā)展及測(cè)量參數(shù)[J]. 上海計(jì)量測(cè)試，2011，38(5)：41-43.

[29]Sharma K K. Optics: Principles and Applications[M]. Amsterdam: Elsevier, 2006.

[30]杜春旭，王普，馬重芳，等. 用天文測(cè)量簡(jiǎn)歷精確計(jì)算太陽(yáng)位置的方法[J]. 可再生能源，2010，28(3)：85-88，92.

Du Chunxu, Wang Pu, Ma Chongfang, et al. Algorithm for the calculation of solar position by using astronomical almanac[J]. Renewable Energy Resources, 2010, 28(3): 85-88, 92. (in Chinese with English abstract)

Development of double photoelectric solar tracking controller for photovoltaic-thermal integration device

Huang Zhongming, Xu Zhilong, Li Huang

(,,361021,)

A concentrating Photovoltaic/Thermal (PV/T) integration device is normally confined to the mutual restriction of sun tracking accuracy and tracking range. In this study, a novel high-efficient solar tracking controller with dual-sensor joint control was designed to optimize the electrical and thermal performance of the PV/T system. The rough surface plane of glass was introduced to the PV/T integration device, where the sunlight was reflected to the concentrating cell components for multiple times concentrating, thereby increasing the power generation of solar cell per unit area. Part of concentrated light and heat was still collected, although the flowing water was cooling through the cells in the PV/T panel. A plurality of light-gathering units were fixed on the long axis of azimuth drive, while connected through the height angle linkage frame, for the tracking of sun azimuth via the azimuth push rod. A height angle push rod was used to push the parallelogram connecting rod for the height angle of the sun. The specific procedure was: 1) A power conditioning circuit was used to amplify small piece signals of the solar cell, and then to convert into a standard signal for a photoelectric sensor. Two sensors were used on the east and west frame to capture the azimuth angle of the sun whereas another two sensors were on the north and south for the altitude angle of the sun. Four photoelectric sensors were installed at the top of the light-concentrating frame on the side of a rectangular parallelepiped to form a rough tracking photoelectric sensor, where the condensed light spot was collected from the reflection of the plane mirror. Another four sensors were installed at the four corners of light-concentrating cell assembly for a fine tracking photoelectric sensor. 2) A single chip of Atmega 32 was selected as the core control circuit. The rough tracking photoelectric sensor was used to capture the position of the sun in a large range whereas the fine tracking photoelectric sensor was utilized to precisely locate the condensing spot on the entire photovoltaic panel. 3) A coordinated and stable performance of dual photoelectric sensors was achieved after the optimization of the tracking control strategy. Specifically, two parameters were optimized, including the tracking accuracy of the spotlight, and the driving frequency of the push rod. The angle sensors were installed on the azimuth and altitude drive shafts, where the azimuth and altitude tracking of the sun were collected per minute. A comparison was made on the theoretical and astronomical data. Furthermore, a dual photoelectric tracking sun controller for PV/T integration device was also tested in Xiamen City of South China (118.09°E, 24.56°N) on July 11, 2018. An optimal combination was obtained, where the sunlight was captured from 0°-180° with a tracking error of less than 0.5°. The movement of the angle push rod was slow-fast-slow, and the running time interval of the height angle push rod was always maintained at 4-5 min/time. The PV/T integration device generated 3.94 kW·h on the same day, and the working temperature of concentrating cell module was between 53-60 ℃. Light and heat of 18.25 MJ (5.07 kW·h) were collected, 1.29 times of photovoltaic effect.

solar energy; controller; light-concentrating unit; photovoltaic effect; photothermal effect; photoelectric sensor

黃種明，許志龍，李煌. 光伏光熱一體機(jī)的雙光電跟蹤太陽(yáng)控制器研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(8)：236-241.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.027 http://www.tcsae.org

Huang Zhongming, Xu Zhilong, Li Huang. Development of double photoelectric solar tracking controller for photovoltaic-thermal integration device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 236-241. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.027 http://www.tcsae.org

2020-12-16

2021-04-02

國(guó)家自然科學(xué)基金（51676085）

黃種明，實(shí)驗(yàn)師，研究方向?yàn)榭刂乒こ?。Email：hzm0513@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.08.027

TK513.4

A

1002-6819(2021)-08-0236-06