郝慧芬 劉艷輝

（1 鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院 內(nèi)蒙古鄂爾多斯 017000 2 包頭輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 內(nèi)蒙古包頭 014010）

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展速度加快，人類對能源的需求不斷增加，面對不可再生能源日益耗盡的現(xiàn)狀，對可再生能源開發(fā)利用顯得尤為重要。太陽能作為可再生能源具有應(yīng)用廣泛、獲取容易、取之不盡用之不竭的特點(diǎn)，由于其安全可靠和清潔干凈，正在被廣泛開發(fā)和利用。在國家能源政策的大力支持下，太陽能產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，就拿光伏發(fā)電來說，2022 年全國光伏發(fā)電新增并網(wǎng)容量87.4 GW，截至2022 年底，全國光伏發(fā)電累計(jì)并網(wǎng)容量392.04 GW［1］。盡管太陽能的優(yōu)點(diǎn)眾多，仍存在缺點(diǎn)，制約了它當(dāng)前的利用和發(fā)展。比如其穩(wěn)定性差，受地理位置、季節(jié)變換以及氣候條件等自然因素影響較大，導(dǎo)致到達(dá)地面的太陽輻照度是間斷且不穩(wěn)定的；能流密度小，夏季晴朗天氣正午時(shí)分太陽輻射輻照度最大，然而垂直于太陽光線的地球表面每平方米可以接收的太陽輻射功率只有1 353 W，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于到達(dá)地球表面太陽輻射能總量173 000 TW［2-3］。目前，提高太陽能的利用率，主要從2 個(gè)方面進(jìn)行研究：①研究太陽能板材質(zhì)，提升轉(zhuǎn)換率，從而提升太陽能的利用效率，提升難度大，效果不明顯；②檢測太陽位置，控制太陽能板使其與太陽光線保持垂直，以提升太陽能利用率［3］，提升效率高，提升方法的研究領(lǐng)域廣，容易實(shí)現(xiàn)。

本跟蹤系統(tǒng)是基于視覺技術(shù)檢測太陽視位置，應(yīng)用PLC雙軸控制完成對太陽光線的定位和精準(zhǔn)平穩(wěn)的跟蹤，使太陽能板采光面始終與太陽光線垂直，開辟了太陽能檢測跟蹤新方式，有效地提升了太陽能的利用率。鄂爾多斯地處內(nèi)蒙古高原腹地，太陽能豐富，光照強(qiáng)度好，為研究太陽視位置跟蹤控制系統(tǒng)提供了得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文研究的太陽視位置跟蹤控制系統(tǒng)基于視覺技術(shù)間歇獲取太陽視位置，采用PLC 實(shí)現(xiàn)雙軸自動跟蹤控制的方式，由位置檢測裝置和跟蹤控制裝置組成。系統(tǒng)框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)框架圖

2 位置檢測裝置

位置檢測裝置主要由圖像采集模塊、圖像處理和輸出模塊組成：圖像采集模塊作為檢測裝置的重要部分，主要用來實(shí)時(shí)采集影子圖像，是準(zhǔn)確獲取太陽視位置的基礎(chǔ)［4］，其由待測目標(biāo)和攝影系統(tǒng)2 部分組成；圖像處理模塊包括圖像處理、圖像分析和視位置算法等部分，將采集到的影子圖像通過圖像處理軟件Matlab 的一系列處理后，經(jīng)圖像分析獲取相關(guān)參數(shù)，應(yīng)用視位置算法可快速準(zhǔn)確計(jì)算出太陽高度角和方位角。

太陽視位置應(yīng)用影子成像原理獲取分3 步。①建立地平面平臺，在建立好的地平面平臺上設(shè)計(jì)地平坐標(biāo)系，地平坐標(biāo)系是用來表示太陽在天空中的方位角和高度角以及其周日變化等［5］，可為后續(xù)提取的影子向量提供方向，同時(shí)參照地平坐標(biāo)系可從圖像中提取標(biāo)準(zhǔn)長度像素值，以此度量影子像素長度。②選取合適的直桿固定在建立好的地平坐標(biāo)原點(diǎn)并與地平面平臺垂直，調(diào)整CMOS 攝像系統(tǒng)位置和焦距，采集完整清晰不失真的影子圖像，并保證拍攝到直桿與坐標(biāo)原點(diǎn)重合，然后通過以太網(wǎng)快速將采集到的影子圖像傳輸給計(jì)算機(jī)圖像處理軟件Matlab，處理軟件對影子圖像進(jìn)行圖像翻轉(zhuǎn)和閾值分割處理，從圖像中提取出圖像中的坐標(biāo)系和影子輪廓，經(jīng)邊緣檢測和圖像分析，獲取坐標(biāo)系東西方向向量、影子方向向量、標(biāo)準(zhǔn)長度像素值和影子像素長度值等參數(shù)。③按照公式（1）和公式（2）算法計(jì)算太陽視位置高度角和方位角。如圖2 所示，太陽高度角是太陽光線與影子間的夾角Hs，與直桿長度構(gòu)成直角三角形，可按照公式（1）算出；太陽方位角可近似地看作是陰影與正南方的夾角As，以原點(diǎn)為中心，以正南方向?yàn)槠鹗冀嵌?，順時(shí)針為正值，逆時(shí)針為負(fù)值［6-7］，按照公式（2）算出。

3 跟蹤控制裝置

跟蹤控制裝置主要由方位角電機(jī)和驅(qū)動器、高度角電機(jī)和驅(qū)動器、PLC 控制器組成。這種雙軸式的跟蹤方式，可實(shí)現(xiàn)太陽高度角和方位角2 個(gè)方位的跟蹤控制，跟蹤精度更高，穩(wěn)定性更好。跟蹤控制裝置在驅(qū)動2 個(gè)軸轉(zhuǎn)動時(shí)都選用了步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)行平穩(wěn)、無累計(jì)誤差、跟蹤精度高。

（1）太陽高度角跟蹤。太陽高度角的跟蹤通過可伸縮電動推桿的伸縮位移來調(diào)節(jié)太陽能板的仰俯角度，實(shí)現(xiàn)高度角的跟蹤。可伸縮電動推桿通過齒輪減速后帶動螺桿、螺母把電機(jī)旋轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，利用電機(jī)正、反轉(zhuǎn)完成推、拉動作。伸縮桿通過驅(qū)動器與PLC 連接，建立伸縮桿伸縮位移量與太陽能板仰俯角度轉(zhuǎn)動大小的算法，將算好的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC 控制程序。PLC 將計(jì)算好的脈沖信號傳輸給驅(qū)動器，驅(qū)動器控制可伸縮電動推桿上的步進(jìn)電機(jī)使伸縮桿移動相應(yīng)的位移，從而推動太陽能板繞軸俯仰轉(zhuǎn)動，完成太陽高度角的跟蹤。其中，可伸縮電動推桿兩端安裝有限位開關(guān)，伸縮桿運(yùn)行到頂端或低端都會自動斷電，使電機(jī)及結(jié)構(gòu)不致?lián)p壞。

（2）太陽方位角跟蹤。太陽方位角的跟蹤，是通過控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動角度來調(diào)整太陽能板轉(zhuǎn)動角度實(shí)現(xiàn)方位角的跟蹤。按照太陽方位角算法計(jì)算，電源每輸入1 個(gè)脈沖信號，太陽能板繞支撐軸轉(zhuǎn)動的角位移量，將計(jì)算好的數(shù)據(jù)發(fā)送給PLC控制器程序，PLC 將計(jì)算好的脈沖信號傳輸給驅(qū)動器驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，并通過減速器減速后帶動太陽能板繞支撐主軸轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角位移量，從而帶動太陽能板繞支撐主軸轉(zhuǎn)動到計(jì)算好的位置，完成太陽方位角的跟蹤。太陽方位角跟蹤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程需要設(shè)計(jì)1 個(gè)防電線纏繞結(jié)構(gòu)，以免太陽能板轉(zhuǎn)動和返回過程發(fā)生纏繞。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

太陽視位置的跟蹤系統(tǒng)涉及到的軟件有兩部分：一部分是硬件的驅(qū)動和工作方式，另一部分是檢測太陽視位置采集到的相關(guān)信號，需要設(shè)計(jì)控制器內(nèi)部程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。另外，還有一些輔助功能的軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程如圖3 所示。

系統(tǒng)啟動后根據(jù)太陽在試驗(yàn)地點(diǎn)每日升起的時(shí)間自動進(jìn)行系統(tǒng)初始化。初始化主要包括系統(tǒng)信息初始化和太陽能板跟蹤位置初始化，太陽能板跟蹤位置初始化采用天文計(jì)算方式中的SPA 算法，GPS 與PLC 進(jìn)行通訊，按照GPS 的配置協(xié)議進(jìn)行配置后，PLC 可通過GPS 獲取測量地的地理信息和時(shí)間信息［8］，將獲取的信息傳輸給SPA 算法計(jì)算出太陽視位置，通過驅(qū)動器控制太陽方位角電機(jī)和太陽高度角電機(jī)，使太陽能板轉(zhuǎn)至相應(yīng)位置，完成太陽能板的初始定位。隨后每隔5 min 視覺系統(tǒng)采集影子圖像傳輸給圖像處理軟件進(jìn)行圖像的處理和分析，提取相關(guān)參數(shù)，按照視覺技術(shù)視位置算法計(jì)算太陽高度角和方位角，將計(jì)算結(jié)果傳給PLC 控制程序，驅(qū)動電機(jī)將太陽能板對準(zhǔn)太陽，實(shí)現(xiàn)跟蹤，直到太陽落山為止。最后，將太陽能板水平復(fù)位［9］。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)選擇相同型號的50 W 太陽能板，將方位角調(diào)整到正南方向，高度角傾斜40°固定安裝，與基于視覺技術(shù)太陽視位置跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行對比。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在鄂爾多斯職業(yè)學(xué)院（北緯39°36′54″，東經(jīng)109°48′56″）空曠無遮擋的地方進(jìn)行，選擇太陽光線充足的5 d，每日實(shí)驗(yàn)從早上6 點(diǎn)開始到下午7 點(diǎn)結(jié)束，實(shí)驗(yàn)記錄如表1，基于視覺技術(shù)太陽視位置跟蹤控制系統(tǒng)日發(fā)電量相對于固定安裝太陽能板的日發(fā)電量最高提升了36.8%。通過實(shí)驗(yàn)反應(yīng)太陽能板的發(fā)電量受環(huán)境溫度影響，在環(huán)境溫度為25 ℃左右時(shí)太陽能板的能量轉(zhuǎn)換最高，隨著溫度上升和降低，太陽能板的能量轉(zhuǎn)換會降低。

表1 發(fā)電量對比實(shí)驗(yàn)

6 結(jié)語

本跟蹤系統(tǒng)只是針對基于視覺技術(shù)太陽視位置跟蹤控制系統(tǒng)中的位置檢測和跟蹤方式可行性進(jìn)行的一次驗(yàn)證。經(jīng)過跟蹤實(shí)驗(yàn)測試，在晴天光照充足溫度在25 ℃左右的情況下，基于視覺技術(shù)的跟蹤方式與固定式相比較獲取太陽能轉(zhuǎn)換提升了36%以上，太陽能轉(zhuǎn)化提升效果明顯。但本跟蹤系統(tǒng)存在的弊端是受天氣影響大，在光照條件不好光線變暗的情況下，視覺系統(tǒng)無法采集到清晰的影子圖像，無法準(zhǔn)確獲取太陽視位置，進(jìn)而影響跟蹤精度。針對目前的狀況，后續(xù)需要在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)之上加入天文計(jì)算方式的軌跡跟蹤，2 種方式可根據(jù)日照情況自動切換實(shí)現(xiàn)混合式太陽能跟蹤，采用混合式跟蹤在一定程度可避免單一跟蹤的弊端，并且整個(gè)系統(tǒng)能夠在全天候、高效率的進(jìn)行跟蹤，可大大提高能量的轉(zhuǎn)換效率［10］。