劉伯明 ，張慶海 ，趙正旭

(1.石家莊鐵道大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.青島理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，山東 青島 266525)

0 引言

為了獲取足夠的生存能源，人類對自然界和未知環(huán)境的能源探索從未間斷過。光伏發(fā)電作為一種新能源的利用方式，為解決日益嚴(yán)峻的能源緊缺問題提供了方向[1-2]。目前光伏發(fā)電跟蹤裝置主要分為單軸跟蹤與雙軸跟蹤裝置兩種[3-5]。相較于單軸跟蹤裝置，雙軸裝置的跟蹤精度較高，但由于傳統(tǒng)的雙軸跟蹤裝置的跟蹤策略單一，造成跟蹤精度不高、光電轉(zhuǎn)化率低和裝置應(yīng)急性能不足等問題。常見的光電跟蹤策略受天氣影響大；視日運(yùn)動軌跡跟蹤策略跟蹤精度不高，存在陰天情況下耗能大、斷電重啟時鐘時間重置等不足[6-8]。因此，如何優(yōu)化跟蹤控制策略，提高跟蹤精度，使太陽能板始終保持最佳吸收太陽能的傾角，增加光電轉(zhuǎn)化效率成為當(dāng)前的主要研究熱點(diǎn)。文獻(xiàn)[9]通過對光傳感器改進(jìn)，提出了一種高精度的太陽跟蹤控制裝置。文獻(xiàn)[10]通過優(yōu)化太陽輻射吸收的最佳傾角數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)出跟蹤效果較高的單軸逐日系統(tǒng)。文獻(xiàn)[11]在Lab/CVI 環(huán)境下開發(fā)了一種基于TCP 傳輸協(xié)議的逐日系統(tǒng)，利用上下位機(jī)和TCP/IP協(xié)議交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了光伏發(fā)電和遠(yuǎn)程監(jiān)測的逐日系統(tǒng)。文獻(xiàn)[12]提出將EtherCAT 總線應(yīng)用到逐日系統(tǒng)控制中，實(shí)現(xiàn)了對逐日裝置的群控。文獻(xiàn)[13-14]研究了光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)跟蹤算法，對光伏發(fā)電效率進(jìn)一步提高。

本文采用STC12C5A60S2 單片機(jī)為控制核心，步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動核心，設(shè)計(jì)了光電跟蹤與視日運(yùn)動軌跡跟蹤相結(jié)合的自動跟蹤控制策略。針對實(shí)時太陽高度角和方位角計(jì)算，采用DS1302 時鐘芯片結(jié)合SPA 算法輔助的方法；針對可能出現(xiàn)的裝置故障問題，設(shè)計(jì)了人工按鍵模式以及基于WiFi 模塊的無線遠(yuǎn)程控制模式。同時采用自動模式和人工模式相結(jié)合的混合跟蹤控制策略，使得本系統(tǒng)不受天氣影響，實(shí)現(xiàn)了太陽能板精確逐日功能，為逐日系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下可能出現(xiàn)的故障問題提供了解決辦法。此外，該系統(tǒng)對太陽能的普及和有效利用具有研究價值，為人類對非可及環(huán)境的能源探索具有重要意義[15]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

光伏發(fā)電雙軸逐日跟蹤系統(tǒng)的混合跟蹤控制策略采用模塊化設(shè)計(jì)的方法選取軟件和硬件，包括電源電路模塊、STC12C5A60S2 單片機(jī)控制模塊、DS1302 時鐘模塊、SD 卡讀寫模塊、陰晴檢測電路模塊、控制信號輸出電路、按鍵與液晶顯示模塊、WiFi 模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊等。逐日跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 逐日跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

新一代STC12C5A60S2 單片機(jī)負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的控制和運(yùn)行，具備高速、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。DS1302模塊配合SPA 算法，對當(dāng)?shù)氐奶柛叨冉沁M(jìn)行計(jì)算；太陽板吸收光照，通過A/D 轉(zhuǎn)換，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，并傳輸給單片機(jī)控制中心，然后再傳輸給步進(jìn)電機(jī)模塊，進(jìn)而調(diào)節(jié)太陽能板，使其能夠垂直吸收太陽光；陰晴檢測電路判斷陰天或者晴天，進(jìn)而完成光電跟蹤模式和視日運(yùn)動軌跡跟蹤模式的運(yùn)行；按鍵模塊不僅具有自動跟蹤模式和人工調(diào)節(jié)模式切換的功能，能夠?qū)o急故障情況加以人工修正，同時還能修正系統(tǒng)當(dāng)前所處的時間，進(jìn)而保障視日運(yùn)行軌跡跟蹤模式的跟蹤精度；通過WiFi 模塊實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制功能。

1.1 電源電路模塊

太陽能板吸收光照轉(zhuǎn)化為電流，電流通過微弱能量收集器儲存到蓄電池中。同時，蓄電池作為整個系統(tǒng)運(yùn)行的能量來源，并通過升壓模塊，輸出穩(wěn)定的電壓電流，步進(jìn)電機(jī)平穩(wěn)運(yùn)行。當(dāng)蓄電池存儲的能量不足以維持系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時，可通過預(yù)留的充電口為蓄電池充電以及為整個系統(tǒng)供能。電源電路模塊如圖2 所示，J5 為太陽能板接口，J6 為蓄電池接口，U5 為升壓模塊，U7 為充電模塊。LED 燈通過亮度顯示太陽能板吸收光照的強(qiáng)度，光照越強(qiáng)，LED 燈越亮。

圖2 電源電路模塊

1.2 WiFi 模塊

WiFi 模塊選擇的是安信可公司生產(chǎn)的ESP8266-12FWIFI 模塊。該模塊支持STA/AP/STA+A 三種工作模式。本系統(tǒng)采用的是AP 模式，模塊自身攜帶熱點(diǎn)，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，使手機(jī)直接與模塊之間保持通信，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程檢測和控制功能。該模塊中，VCC 用來接3.3 V～5 V 的電源，UTXD 是該模塊的串口發(fā)送引腳，可接單片機(jī)的串口接收引腳URXD，URXD 是模塊串口接收引腳，可接單片機(jī)的UTXD 引腳。WiFi 模塊如圖3 所示。

圖3 WiFi 模塊

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

2.1 視日運(yùn)動軌跡跟蹤模式

地球在自轉(zhuǎn)的同時也進(jìn)行公轉(zhuǎn)，造成太陽光照的直射點(diǎn)不斷發(fā)生變化，使得固定式的太陽能發(fā)電板不能保證每時每刻垂直吸收太陽輻射。視日運(yùn)動軌跡跟蹤策略的主要設(shè)計(jì)理念是通過計(jì)算實(shí)時太陽高度角、方位角，實(shí)現(xiàn)太陽能板垂直吸收太陽光線。

如圖4 所示，在地平坐標(biāo)系中，太陽的高度角是指太陽光線與當(dāng)?shù)厮矫嬷g的夾角α，其變化范圍為0°～90°，當(dāng)太陽處于正午時分，高度角α 達(dá)到最大值；太陽的方位角是指太陽光線在當(dāng)?shù)厮矫娴耐队芭c正南方向的夾角β，其變化范圍為0°～360°。其中，與高度角α互為余角的γ 是天頂角。

圖4 地平坐標(biāo)系

太陽高度角的計(jì)算如式(1)所示：

將式(1)推導(dǎo)，得到高度角的計(jì)算公式式(2)：

式中：角φ 是當(dāng)?shù)氐木暥戎?，角?為太陽所處赤緯角，角δ 為時角。

太陽方位角的計(jì)算如式(3)所示：

由式(2)和式(3)可知，太陽的高度角和方位角的計(jì)算與太陽的赤緯角和時角有關(guān)。

視日運(yùn)動軌跡跟蹤策略為了達(dá)到較高的跟蹤精度，需要知道實(shí)時的太陽高度角、方位角以及當(dāng)前地區(qū)的日出日落時間。

由太陽的高度角計(jì)算公式式(1)，可得出當(dāng)前地區(qū)的日落日出時角公式：

式中，ωh表示日出日落時角，其值為正，表示日出時角；其值為負(fù)，表示日落時角。由式(4)可知，已知當(dāng)?shù)氐某嗑暯侵岛途暥戎涤嘘P(guān)，可求出日落日出時角。

視日運(yùn)動軌跡跟蹤策略采用的太陽方位軌跡SPA算法，該算法適用性強(qiáng)、精度高，可計(jì)算多年的太陽高度角和方位角[16]。根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)度、緯度以及和海拔等參數(shù)計(jì)算全天從日出到日落的時間范圍內(nèi)的實(shí)時太陽高度角和方位角，并將這些數(shù)據(jù)存儲到SD 卡中。單片機(jī)通過查表的方法調(diào)用存儲的高度角和方位角數(shù)據(jù)，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)完成實(shí)時方位控制，使太陽能板達(dá)到理論上的位置。

2.2 光電跟蹤模式

光電跟蹤策略主要與陰晴檢測電路模塊有關(guān)。如圖5所示，4 個光敏電阻A、B、C、D 分別接收太陽能板4 個方位的光照強(qiáng)度，通過光敏電阻值的變化情況判斷太陽能板是否保持垂直吸收太陽光的最佳狀態(tài)。單片機(jī)采集通過A/D 轉(zhuǎn)換的光敏電阻的電壓值，通過數(shù)據(jù)處理，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，使得太陽能板保持在理論上位置。當(dāng)太陽光垂直照射太陽能板時，4 個方位的光敏電阻兩端的電壓值幾乎相同，太陽能板不發(fā)生轉(zhuǎn)動；當(dāng)上下、左右的光敏電阻兩端的電壓差值超過設(shè)定的閾值，太陽能板向光照強(qiáng)度高的一側(cè)轉(zhuǎn)動，使得上下、左右的電壓值小于閾值，從而達(dá)到光電跟蹤的目的。

圖5 陰晴檢測電路模塊的光敏電阻排列結(jié)構(gòu)

2.3 遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制模式

遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制策略有兩方面的目的，一方面是為了面對系統(tǒng)可能出現(xiàn)的突發(fā)故障狀況，另一方面是為了方便實(shí)時收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)，如太陽的實(shí)時方位角、高度角、系統(tǒng)的實(shí)時電壓電流和陰晴檢測電路模塊中的光敏電阻收集到的實(shí)時光照強(qiáng)度。此策略主要依賴于WiFi 模塊，該模塊內(nèi)置TCP/IP 傳輸控制協(xié)議，利用該模塊的AP工作模式，實(shí)現(xiàn)手機(jī)和系統(tǒng)相互通信，達(dá)到了系統(tǒng)向手機(jī)每隔5 s 發(fā)送實(shí)時數(shù)據(jù)、收集遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)工作狀態(tài)的目的。當(dāng)系統(tǒng)存在突發(fā)故障時，手機(jī)端可通過命令，將系統(tǒng)的自動模式切換到人工模式，并針對實(shí)際狀況，對系統(tǒng)做出及時調(diào)整。

3 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

首先，系統(tǒng)第一次開機(jī)，液晶顯示器上顯示當(dāng)前系統(tǒng)的訪問地址和端口。手機(jī)連接該地址，為系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制提供保證。然后顯示當(dāng)前太陽能板吸收的環(huán)境光照的平均值，系統(tǒng)計(jì)算出實(shí)時太陽高度角和方位角。若當(dāng)前系統(tǒng)時間不準(zhǔn)確，需要校對DS1302 時鐘。圖6 為整個系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)流程圖。

圖6 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)流程圖

系統(tǒng)啟動，進(jìn)行初始化，默認(rèn)的模式為自動跟蹤模式。陰晴檢測電路模塊收集當(dāng)前光照強(qiáng)度，并與設(shè)定的光強(qiáng)記錄值比較。若光照強(qiáng)度大于記錄值，系統(tǒng)判斷為晴天狀態(tài)，進(jìn)入光電跟蹤模式，單片機(jī)將上下、左右光敏電阻的光強(qiáng)信號差值通過A/D 轉(zhuǎn)換成電壓信號差值，根據(jù)電壓差值，使太陽能板轉(zhuǎn)向光照最強(qiáng)的方向。若光照強(qiáng)度小于記錄值，系統(tǒng)進(jìn)入視日運(yùn)動軌跡跟蹤模式，單片機(jī)將通過查表查詢存儲在SD 卡中的太陽高度角和方位角信息，然后驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，使太陽能板轉(zhuǎn)動到理論位置。單片機(jī)可通過模式切換按鈕進(jìn)行自動模式和人工模式的切換，也可通過WiFi 模塊從手機(jī)終端用命令進(jìn)行模式的切換。人工模式下，可對系統(tǒng)當(dāng)前的時間進(jìn)行校對，從而使太陽能板在相應(yīng)時間轉(zhuǎn)動到對應(yīng)的位置；也可通過上下左右按鍵控制太陽能板的上下左右方向。系統(tǒng)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)下，通過WiFi 模塊向手機(jī)控制終端發(fā)送實(shí)時參數(shù)。太陽能收集的電能儲存到蓄電池中，蓄電池通過升壓模塊對整個系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電流，達(dá)到了太陽能充分利用太陽能的目的。

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)階段，針對雙軸逐日跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行測試，收集參數(shù)。通過SPA 太陽軌跡算法，將青島某地的經(jīng)緯度、海拔和溫度等參數(shù)輸入系統(tǒng)，求得太陽的高度角和方位角，并將太陽每個時間段的高度角和方位角存儲到SD 卡中。在運(yùn)行過程中，系統(tǒng)會將計(jì)算得到的太陽高度角和方位角顯示到系統(tǒng)屏幕并傳輸?shù)绞謾C(jī)上；尤其在視日運(yùn)行軌跡跟蹤模式下，單片機(jī)根據(jù)系統(tǒng)時間查詢對應(yīng)的太陽高度角和方位角，通過驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，控制太陽能板運(yùn)動。實(shí)驗(yàn)收集3 月份某連續(xù)5 天的光照強(qiáng)度、太陽高度角和方位角的平均值作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，每天的時間段選取為7：00～17：00。數(shù)據(jù)收集結(jié)果如表1 所示。

如表1 所示，T 表示時刻，L 表示4 個光敏電阻收集的光照強(qiáng)度的平均值，A 和B 分別表示系統(tǒng)計(jì)算的太陽高度角和方位角，A1和B1分別表示根據(jù)如梭萬年歷得到的標(biāo)準(zhǔn)太陽高度角和方位角。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，由表1 和圖7 看出，連續(xù)5 天得到的光照強(qiáng)度平均值處于一種先上升后下降的狀態(tài)，中午11：00～15：00 時間段內(nèi)光照強(qiáng)度的變化較為平緩，符合日常一天內(nèi)太陽輻射值的變化，結(jié)果表明該逐日系統(tǒng)具有良好的太陽能收集功能。同時，系統(tǒng)利用SPA 算法得到的太陽高度角和方位角的計(jì)算值與查詢?nèi)账笕f年歷得到的標(biāo)準(zhǔn)值之間的誤差范圍為±0.5°，誤差小，精度高，表明本裝置的太陽軌跡跟蹤性能好。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖7 光照強(qiáng)度的平均值變化

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電雙軸逐日跟蹤系統(tǒng)采用自動模式與人工模式相結(jié)合的混合控制的策略。系統(tǒng)利用SPA 算法計(jì)算太陽的實(shí)時高度角和方位角，保證系統(tǒng)的跟蹤精度，使太陽能板始終保持與太陽光線垂直的最佳傾角狀態(tài)，提高了光電轉(zhuǎn)化率，充分吸收了太陽能。自動模式下，采取光電跟蹤模式與視日運(yùn)動軌跡跟蹤模式相結(jié)合的策略，使系統(tǒng)受陰晴天氣的影響較小。在人工模式下，獨(dú)創(chuàng)性地使用WiFi 模塊對逐日光伏發(fā)電系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)測與控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本系統(tǒng)受天氣影響小、跟蹤準(zhǔn)確性高、支持遠(yuǎn)程監(jiān)測與遠(yuǎn)程控制，對我國的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)有一定的參考價值。本系統(tǒng)能夠吸收轉(zhuǎn)化光能為電能，維持自身正常運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)能量自供給。同時，本系統(tǒng)還可以遠(yuǎn)程監(jiān)測自身狀態(tài)與周圍環(huán)境狀態(tài)，且面對突發(fā)故障問題有一定的解決能力，對人類利用光伏發(fā)電技術(shù)解決能源問題、遠(yuǎn)程監(jiān)測一些危險環(huán)境、探索開發(fā)利用非可及環(huán)境等研究工作具有一定的參考價值。