基于变频器的太阳能自动跟踪装置的设计

杨 斌，郭敏强，韩立立，焦志勇

（中国石油大学，山东 青岛 266580）

面对日益严重的能源危机，世界各国都把眼光瞄准了可再生能源的开发利用，尤其是太阳能产业以其绿色、无污染和永久可持续性备受青睐，存在无限广阔的发展前景。太阳能因其储量的无限性、辐射的普遍性、利用的清洁性和经济性等特点，成为人类解决能源危机的重要途径，世界各国均大力扶持太阳能产业发展。然而，单结太阳能电池的最大转化率仅为31%，而一般位于屋顶或日常消费产品中的太阳能电池的转化率仅为18%，研制高效的、成本合理的太阳能电池是全球共同面临的巨大挑战[1，9]。

通过机械设计提高太阳光的采收率可以在现有基础上更大程度的利用太阳能。目前，太阳能自动跟踪系统多采用视日轨迹跟踪、光电跟踪以及两种结合的方式[2，8]。然而这几种方式都有各自的优缺点，在一定程度上限制了太阳能的利用率。本文介绍了一种利用变频器控制异步电机转速的跟踪方法，既达到自动跟踪的效果、提高跟踪精度，又节省了在跟踪过程中系统所用的电能。

1 常见跟踪方式简述

视日轨迹跟踪，是根据在确定的位置太阳角度随时间变化的规律，确定不同时间太阳所在位置，然后运行控制程序使装置对准太阳光线。然而，此方法存在地域的局限性，即一旦换在另一个地方，太阳角度随时间变化的规律便不相同，这样就需要重新确定太阳运动轨迹、编写控制程序，后期运行麻烦较多，而且一旦遇到阴雨天气，它仍会继续跟踪，造成电能的浪费[3]。

光电跟踪，使用光敏管，将两个光敏管分别置于光伏电池阵列平面的两个点上，当太阳光线直射光伏阵列时，若光敏管将光信号转换成电信号后的数值偏差在规定范围内，即两个测试点光强信号的偏差很小，电机不转动。但随着太阳的位置发生变化，光敏管检测到的电信号偏差逐渐增大而超出了规定范围，经放大电路将偏差信号放大，控制跟踪装置产生动作而重新使光伏阵列与太阳光线保持垂直，对准太阳，完成跟踪。但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的失误操作。而且在跟踪过程中由于电机转速控制不当有可能会出现跟踪偏差[4]。

视日轨迹跟踪和光电跟踪结合的跟踪方式虽然在一定程度上可以避免上述缺点，但无法从根本上克服，仍存在很多问题。本文介绍的基于变频器的太阳能自动跟踪装置具有视日轨迹跟踪以及光电跟踪的优点，同时克服了两者的一些缺点，实现了更精确的跟踪，进一步提高了太阳能利用率。

2 变频器工作原理

变频器的组成主要包括控制电路和主电路两个部分，如图1所示。其中主电路还包括整流器和逆变器等部件，工作原理是通过控制电路来控制主电路，主电路中的整流器将交流电转变为直流电，直流中间电路将直流电进行平滑滤波，逆变器最后将直流电再转换为所需频率和电压[5]，再让它与异步电机相连，从而可以控制电机的转速[6]。变频器调节电机转速的主电路图如图2所示[7]。

图1 变频器基本结构图

图2 变频器调速系统的主电路

控制电路是给主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。

（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比较运算，决定逆变器的输出电压、频率。

（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。

（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。

（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。

（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。

3 跟踪装置设计

该装置主要有以下几个部分组成，变频器、机械装置，光电转换装置、太阳能电池板，实时时钟电路等，如图3所示。变频器接收来自实时时钟和光电转换装置的两个信号，进行处理和判断，从而决定系统的工作状态，具体工作方式如下。变频器先通过实时时钟的信息粗略判断，在夜间关闭系统，停止跟踪；在白天，系统的工作状态再由光电转换装置提供的信号来决定。对于光电转换装置，系统设置一个启动的最低信号值，在阴雨天气，此时感光装置接收的信号较低，当信号低于系统启动的最低值时，系统关闭。这样就可以避免视日轨迹跟踪遇到阴雨天气仍会继续转动的缺陷，节省了电能。若感光装置接收的信号高于系统启动的最低值，说明此时有阳光，系统启动，再次读取实时时钟的时间信息，变频器根据太阳角度随时间的变化规律判断此时太阳应处的方位，控制电机转动，使电池板大致朝向了垂直太阳光的方向；然后，在一定范围内逐渐改变电机转速，并读取不同方向光电转换装置的信号值，将不同方向感光装置获得的信号值进行对比，找到一个最大值，即此时太阳能电池板与太阳光线垂直，完成跟踪。在通常的跟踪方式中，电机工作时处于短期重复状态（开／停），这样势必带来启动频繁、噪声大、电机寿命短、温度稳定性差以及能耗高等一系列弊端。而变频器通过提高载波频率、和电机间加上滤波器可以达到减震的效果，避免这些弊端，具有节省电能、延长寿命、静音化等优点。

图3 系统结构框图

3.1 系统硬件设计

变频器选择ABB变频器ACS800，其中控制芯片为8位单片机，时钟芯片为PCF8563I2C实时时钟／日历芯片，输入显示控制芯片为HD7279A串行接口8位LED数码管及64键键盘智能控制芯片，驱动芯片采用采用ULN2803AG。两个电机分别于水平调节和垂直调节，系统的简化电路图如图4所示[8]。摆动，从而造成系统的混乱。而采用变频器，电机转速可调，则可避免此缺点。第四，采用了对电动机的最先进的转矩矢量控制。能获得与负载自动适应的电机转矩；低速时提高起动转矩，大幅度提高转矩响应速度。

图4 跟踪系统电路连接图

图5 系统软件流程图

系统采用低功耗的CMOS实时时钟／日历芯片PCF8563设计时钟电路，它具有实时时钟和可编程定时中断输出等功能，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行通信。系统采用HD7279A智能控制芯片完成信息的输入显示。该芯片具有串行接口，可同时驱动8位LED数码管和连接64键键盘，芯片内部含有译码器，可直接接受BCD码和16进制码。另外，芯片还具有多种控制指令，如消隐、闪烁、段寻址等。图5中的8个LED数码管和4个按键分别用来显示和设置经纬度、时间信息。

3.2 系统软件设计

程序流程图如下：

变频器在此起到的作用如下。第一，作为控制系统，可以识别、判断信号。太阳光线随着时间的变化遵循一定的规律，可以将此预先保存在系统中，工作时，控制系统读取实时时钟的信息，并根据太阳光线变化的规律实现粗略跟踪。第二，通过改变频率、电压来控制电机的转速。当电池板与太阳光线偏差较大时，让电机转速稍快，实现粗略跟踪；电池板与太阳光线偏差较小时可使电机转速变慢，通过感应信号的大小比较，找到一个光强最大的位置，从而实现跟踪更加准确，并节省系统用电量。第三，在光电跟踪中，电机转速不可调，跟踪过程中电池板有可能偏转过度，导致来回

4 结 论

装置优点如下：

（1）采用实时时钟作粗略判断，受地域限制小；

（2）利用变频器的控制电路，采用间断跟踪，即有阳光时跟踪，无阳光时关闭系统，节省电能；

（3）通过改变频率、电压来控制电机的转速。这样既可以实现精确的跟踪又节省了系统的用电量，从而间接的达到了提高太阳能利用率的目的；

（4）变频器低速时提高起动转矩，大幅度提高转矩响应速度，缩短响应时间；

（5）延长电机的使用寿命。

绿色、清洁能源是日后能源结构的一个趋势，太阳能行业具有无限广阔的前景。该装置利用变频器自带的控制电路控制整个系统，在跟踪时可以改变电机转速，达到精确跟踪，节省系统用电量，具有视日轨迹跟踪以及光电跟踪的优点，同时克服了两者的一些缺点，进一步提高了太阳能利用率。本装置可用于路灯、红绿灯等交通设施，也可以为野外工作人员供电，具有较高的商业价值。

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