太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计

罗金玲

摘 要：针对太阳能光伏发电采用固定式方案对太阳能利用率不高的问题，设计出了太阳能光伏发电自动跟踪控制系统。该方案首先对光伏发电进行了叙述，分析了光伏电池的发电原理及光伏发电的优点和不足；其次对光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪这两种自动跟踪方式进行了详细分析；最后对自动跟踪控制系统进行了设计。

关键词：光伏发电；自动跟踪；太阳能；利用率

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2015）12-00-02

0 引 言

随着世界经济的迅速发展，人类对于能源的需求量越来越大，这使得不可再生能源（煤、天燃气等）变得日益短缺。当前，世界各国对于新的可再生能源的研发重视程度日益提高，太阳能作为绿色无污染能源且具有适合长期可持续发展的独有优势受到人们热捧。我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能资源，提高太阳能的利用率，可为我国经济的可持续发展提供强有力的动力支援。当前，如何提高太阳能的接收效率成为研发的重点。

1 光伏发电

1.1 光伏电池

太阳能光伏发电主要通过光伏电池进行光能和电能之间的转化，通过PN结的电场效应产生电能。当前光伏电池的种类很多，制作工艺也有很多种，其原理是一致的，如图1 所示。

光伏电池的发电效率随着太阳光谱分布、太阳光强度及电池自身温度等的变化而不断变化。

1.2 光伏发电的优点

光伏电池是以PN结半导体为主，在地球上拥有丰富的半导体制作原材料——硅，因此光伏发电与传统的发电设备相比，有以下优点：

（1）太阳能非常丰富，取之不尽，用之不竭，在当前看来，太阳能是一种可以“无限”使用的可再生免费能源。

（2）光伏发电不会产生噪声、有害气体、磁场、光等对人体造成影响的污染物，是真正的绿色环保能源。

（3）适合于各种有太阳光照的环境，一旦安装调试成功，无需进行材料的运输。

（4）当前的光伏设备的使用寿命一般长达25年以上，随着工艺和技术的提高，其使用寿命还会不断增长。

1.3 光伏发电的不足

光伏发电的能力与太阳光的强度有着直接的关系，当前社会上的光伏设备一旦安装，在一天之中，其发电的能力随着太阳的转动而不同，这使得发电的效率受到极大的影响。另外，自然界中的风也可能改变光伏电池原有的位置，严重影响光伏电池的发电效率。

2 逐日跟踪方式

太阳光与发电效率之间的关系已经被越来越多的理论所验证，当前，人们对于太阳的跟踪也提出了越来越多的方法。将这些方法进行总结，其主要的方式有光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪两种。

2.1 太阳运动轨迹跟踪

日出日落都有特定的轨迹，有规律可循。太阳每天所在的位置可根据当地季节和气候特点得到，进而在太阳能电池板上安装相应的控制程序使太阳能电池板能准确跟踪太阳。

太阳运动轨迹跟踪方式主要采用单轴和双轴两种跟踪装置。其中单轴主要是以焦线为中心，沿着焦线的垂直方向进行双向跟踪；而双轴则可以进行全方位、高度角的全跟踪。双轴主要由垂直转轴和水平转轴两个转轴组成，相对较为复杂。双轴的示意图如图2所示。

2.2 光电跟踪

太阳光的强弱可以通过光敏管对其进行感应，通过将两个光敏管安装在光伏电池的两个对应点上，假如光伏电池板接收太阳光的照射后，其产生的电能在预计的电能数值偏差规定的阈值内，则表明当前的光照效果良好，无需进行电池板的转动。随着时间的推移，太阳的运动轨迹发生了变化 ，光伏电池产生的电能逐渐减弱，使得产生的电能与预计产生电能之间的误差变大。此时，光敏管检测到的电信号被放大电路放大，并启动自动定位控制装置，带动电池板进行转动，使电池板重新与太阳光的方向保持垂直状态。

光电跟踪的设计相对简单，最大的不足是易受到天气因素的影响，当晴天时，可以很好地完成跟踪效果。但当天气恶化时，特别是白天，太阳长时间地被乌云遮挡，此时太阳能电池板产生的电能变弱，而光敏管由于没有光照，故无法正常启动定位控制装置。

两种跟踪方式都有其各自的优点和不足，为了更好地完成自动跟踪太阳的功能，将两种跟踪方式进行有效的结合。当光敏管可以有效地接收到电信号时，说明当天的天气情况很好，采用光电跟踪方式；相反，则说明天气情况恶劣，则采用太阳运动轨迹跟踪方式。这样，无论在什么样的天气环境下，太阳能电池板都能够最大效率地工作。

3 自动跟踪控制系统的设计

3.1 设计原则

太阳能发电的目的是为了节省能源，提高经济效益，因此，在设计的过程中，要考虑成本和维护的问题。自动跟踪控制系统的设计原则包括如下几点：

（1）系统的可扩展性

根据太阳能发电的需要，随着工艺水平和科技的进步，太阳能光伏电池可能进行更换或数量增加，所以搭建的平台应能够满足更新和维护的需求。

（2）模块化设计

为了缩短研发的周期，模块化设计可以使得设计各个部件更加科学化、标准化，有效提高研发的工作效率。

（3）标准接口

在软件设计上，要预留软件功能接口，为以后的二次开发打下基础。

（4）经济耐用

太阳能电池板需要长年在户外工作，可能会遇到恶劣的风雪天气，在安装的过程中，要考虑到耐用性，避免二次安装。

3.2 系统硬件设计

太阳能光伏发电自动跟踪系统的硬件设计要以主计算机控制单元为核心，外围设备由多种传感器（风力、风向传感器、光强传感器、太阳光入射角传感器、方位磁传感器、GPS接收机等）收集的数据信息经过单片机模块分析转化后传给主计算机控制单元，经控制单元运算后，用其结果控制电机的单片机，使驱动电机进行转动，带动太阳能电池板到合适的位置。具体如图3所示。

3.3 系统软件设计

系统主控程序的流程是首先对太阳能电池板的起始位置进行确认，将程序进行初始化操作，首先根据光敏管确认天气情况，假如天气状态良好，则采用光电跟踪，否则采用太阳运动轨迹跟踪，无论采用何种跟踪方式，根据每个时刻太阳的位置通过电机转动带动电池板转动，使电池板与太阳光方向相对应。当太阳落山后，自动关闭跟踪系统，将电池板恢复至起始位置。核心代码如下：

4 结 语

本文对太阳能光伏发电自动跟踪控制系统进行了研究，当前太阳能发电已经受到人们越来越多的重视。如何最大效率地发挥出太阳能电池板的功能，是提高资源利用率的有效途径之一。在自动跟踪系统中，优化跟踪控制方式和多任务控制系统，可更加有效的提高太阳能光伏电池板的发电效果。

参考文献

[1]饶鹏，孙胜利，叶虎勇.两维程控太阳跟踪器控制系统的研制[J].控制工程，2004，11（6）：542-545.

[2]张常年，赵红怡，昌原.太阳能电池自动追踪系统的研制[J].计算机应用，2001，27 （12）：26-27.

[3]薛建国.基于单片机的太阳能电池自动跟踪系统的设计[J].长春师范学院学报（自然科学版），2005，24（3）：26-30.

[4]陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].能源工程，2003（3）：18-21.

[5]林晓钢，高潮，郭永彩，等.自然环境加速试验装置中自动追踪太阳方法[J].重庆大学学报，2003，26（5）：115-117.

[6]王雪文，王洋，阎军锋，等.太阳能电池板自动跟踪控制系统的设计[J].西北大学学报，2004，34（2）：163-164.