太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计

高建军

【摘 要】太阳能是当今应用最为广泛的清洁可再生能源，但是传统的固定太阳能光伏发电效率较低，无法满足当今人们用电需求，在此背景下相关行业也提出了太阳能光伏自动跟踪发电系统。基于此，本文重点探究当今太阳能光伏发电跟踪方式，并提出相应的系统设计方法。

【关键词】太阳能光伏发电；自动跟踪；控制系统；类型；设计

随着我国社会经济不断发展，工业生产水平不断提升，社会生产对电能的需求量也不断提升。众所周知，传统发电会产生大量的粉尘、废气，对自然环境造成了严重的影响，而太阳能作为一种可再生的清洁能源，取之不尽用之不竭，在当今发电领域的应用十分广泛。光伏发电（如图1）主要利用了热能、光能转换，可以将太阳光转化为电能（采用PN结电场效应发电）。当今光伏电池有很多种类，制作工艺也不尽相同，但是光伏发电的原理相同。光伏电池发电效率与太阳光照强度、电池温度、光伏分布有着直接关系。但是传统的固定光伏发电系统由于是被动接收太阳光，因此发现效率无法保障。自动跟踪控制系统可以跟随太阳进行角度转换，时刻都可以接收太阳直射，大大提高了太阳光的接收效率。因此，加强太阳能光伏发电自动跟踪控制系统的研究有着重要意义。

一、太阳能光伏发电自动跟踪形式

为了能够提高光伏发电效率，有关部门也加强了跟踪控制系统的研究，并提出了多种方法，通过对这些方法进行调研发现，当今最为理想的两种形式分别为光电跟踪和太阳运动轨迹跟踪两种，其主要表现在：

（一）光电跟踪

光敏管可以直接感应太阳光的强弱，因此可以将光敏管安装到光伏电池的两侧，在太阳光射入到光伏电池板上时，所产生的实际电能会与事先设定的阈值范围进行对比，如果在阈值范围内，则表示光照效果较好，不需要调整电池板的方向。但太阳光会随着地球转动发生角度变化，电池所生产的电能也会随之减少，导致实际生产电能小于阈值范围【1】。此时光敏管就会放大电信信号，控制装置自动捕捉光照更强的角度，确保电池板和太阳光处于相对垂直的状态（直射）。

虽然光电跟踪的设计更加便捷、原理简单，但是也会受到自然条件的影响，如果是在晴天，可以根据太阳光射入角度强弱进行角度判定，从而保证发电质量，但是到了阴天或多云天气，由于电池板所产电能变少，再加上光敏管无法接受到强光，因此无法自动启动控制装置。

（二）太阳运动轨迹追踪

太阳的升起和降落都有章可循，结合当地的气候特点和季节特点，即可掌握太阳运动轨迹，通过在电池板上设置控制程序，根据太阳运动轨迹即可实现追踪。如果是在多云、阴天的情况下，也會按照事先设定的运动规矩进行调整。该形式可以划分为单轴、双轴跟踪方法。其中，单轴以焦线为轴心，并沿着焦线垂直方向移动，可以实现双向追踪；双轴可以实现高角度、多方位跟踪，采用水平、垂直两个转轴共同组成，内部结构更加复杂一些【2】。但由于我国大部分地区都处在亚热、温带地区，太阳高度和照射时间也会因季节出现变化，无论是单轴还是双轴，都需要随着季节变化进行调整。

（三）对比分析与设计思路

通过上述介绍可知，两种形式在实际使用当中都存在着明显的优劣势，因此都不符合最终的设计标准，为了能够更好的获取太阳能，可以将两种追踪形式相结合。也就是在太阳光充足时采用光敏管方法，如果天气恶劣，没有充足的太阳光时采用太阳运动轨迹追踪方法，这样即可在任何天气状况下最大效率的接收太阳光。

二、太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计

（一）设计原则

应用太阳能光伏发电设备的最终目标是提高自然清洁能源的利用率，并且在保障经济效益的基础上节省人力资源。所以在跟踪控制设计当中需要保障整个系统具备足够的拓展空间，充分考虑光伏电池体积、数量上的变化等，在平台设计当中为未来发展提供一定的冗余。再者，在标准接口上采用软件功能接口预留方法，以便于二次开发。为了确保跟踪系统在未来使用中的灵活性，系统设计最好是采用模块化设计形式，同时也可以保证整个系统架构的标准性、清晰度，确保整个设计系统的合理性和科学性。

（二）硬件设计

将自动跟踪系统作为整个系统的控制单元，各种传感器安装到设备上为自动调控提供相关资料，包括GPS定位器、GPS接收器、入射角传感器、磁传感方位器、风向传感器等。各类传感器会不断收集太阳光数据信息，并最终传输到控制单元中进行运算，在运算完毕后即可发出指令控制单片机，系统自动传动电机，确保太阳能电池板与太阳光处在最佳位置（角度）。具体的设计流程为：入射角、风力、光强、风向传感器会将相关信息传输到单片机模块当中，和磁传感器、GPS设备接受数据共同传输到控制单元中。在控制单元当中对所捕获的数据进行处理，之后控制驱动装置和单片机，根据各项采集信息数据调整入光角度。虽然整个流程看似繁琐，但是在实际操作中只需要不到0.2s的时间。

（三）软件设计

在软件设计当中，首先要进行定位处理，也就是明确太阳能电池板的所处位置，并将程序初始化。时刻关注光敏管的运行状态，结合天气情况显示状态判定选择哪种跟踪形式（光电跟踪还是运行轨道跟踪）。但是无论是采用哪种太阳光跟踪方法，都要保证系统能够准确跟踪太阳的运动位置，这样可以及时控制电机转动，保证电池板时刻都处于最佳位置。并通过光感器测量太阳强度，由于夜晚光照要比阴天下雨光照低非常多，因此可以设置夜晚自动闭合跟踪系统，电池板转动会自动还原到初始状态。待到第二天天亮，或光照度达到了自动运行阈值时，会自动开启跟踪功能【3】。实现全天自动化太阳光跟踪运行模式。

（四）自动调节功能设计

为了减少对人力资源的使用量，针对每天天气状况的差异性，所以要提出自动调节功能，在系统设计当中要充分认识到各个传感器功能设定。而想要实现精准自动化调节，需要传感器结合当地天气实际情况提供更加精准数据信息，所以要事先对传感器性能、精度进行检查。如是否存在遮挡太阳光的大片乌云、大风天气是否会影响光伏板角度等。风速传感器就是在风力达到临界值时，控制电机自动转动，而保障光伏板和风向保持（相对）平行状态，这样可以避免风力过大造成光伏板损坏，让其所受到的风力达到最小，待到风力低于阈值时，即可自动调整为与太阳光相垂直的状态。也可以设定信号采集时间，如每隔30min采集一次信息，如果在天黑，因为太阳光非常弱，无法收集太阳光，或者大风可能影响光电板安全，即可自动停止工作，并自动收回光伏板装置。

三、结束语

综上所述，合理利用太阳能资源可以降低传统资源的依赖性，为节约地球不可再生能源提供相应的支持。新时期下，太阳能领域重点研究的方向就是如何提高光能收集率。本文提出了自动跟踪控制系统，在设计当中需要重点考虑机机械结构以及传感器布置，通过融入多任务设计模式，如感应光照、风力等，优化了自动跟踪系统功能，从而最大化发挥太阳能光伏发电设备的积极作用。

【参考文献】

[1]罗金玲. 太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J]. 物联网技术， 2015， 5（12）：70-71.

[2]张建波， 殷群. 嵌入式太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J]. 桂林电子科技大学学报， 2010， 30（3）：247-249.

[3]刘晶晶， 花燚， 廖长荣. 基于单片机的太阳能光伏发电自动跟踪控制系统设计[J]. 科学技术创新， 2016（31）：73-74.