自动跟踪式太阳能发电装置保护系统

陈海

【摘 要】论文在前人的研究基础上，结合新疆本地气候条件，对双轴跟踪式发电装置各种工作环境进行检测，通过判断气象条件，控制器选择执行不同的跟踪方式或者保护方式，在保证最大限度进行跟踪，提高发电效率的同时，保证在恶劣天气条件下能够对太阳能发电装置进行有效保护。

【Abstract】 Based on the previous studies and combined with the local climatic conditions in Xinjiang， the paper detects the various working environments of the biaxial tracking power generation device. Through judging the meteorological conditions， the controller is chosen to perform different tracking modes or protection modes， so as to ensure that the solar power plant can be protected effectively under the bad weather conditions while the maximum tracking is ensured and the power generation efficiency is improved.

【关键词】太阳能跟踪系统;保护系统;单片机

【Keywords】 solar tracking system; protection system; singlechip

【中图分类号】TM615                                      【文献标志码】A                                       【文章編号】1673-1069（2018）10-0149-02

1 引言

光伏发电作为清洁能源的一种，已经在世界各地被广泛采用，自动跟踪式光伏发电系统，能够提高光伏发电效率近30%，能够大大提高光伏发电产业的产能，但是由于自动跟踪式光伏发电装置结构复杂，为了避免气候变化对光伏发电装置的损坏，制作得比较厚重和巨大，与固定支架式装置相比，造价较高，因此也限制了自动跟踪式光伏发电装置的应用，若减轻设备的重量，设备强度必然要受到影响，在恶劣天气的影响下，可能会对设备的机械结构造成永久损坏，为了避免恶劣天气对光伏发电装置造成损坏，需要准确判断当前的气候条件，才能对设备进行准确控制[1]。

2 系统总体设计

跟踪式太阳能发电装置有机械式、电子式、光电跟踪式和GPS定位方式跟踪，本设计是针对光电跟踪式太阳能发电装置，通过判断环境条件，判断当前环境的昼夜、阴晴、是否有风，是否有雨或雪（温度低于-5摄氏度）的状态，通过对环境状态的判断，能够有效减少风和雪对跟踪支架的受力，同时，通过判断昼夜，选择让设备进入休眠待机状态，通过判断阴晴状态，选择设备进行光电跟踪还是视日轨迹跟踪（计算跟踪方式）[2]。

重点是传感器判断为大风天气时，应将光伏面板调整为水平放置状态，减少受风面积，避免设备损坏。

当液体传感器检测到有雨或雪的时候，进一步通过温度传感器的输入信号，判断温度是否低于-5℃，当温度低于-5℃时，则判断为有雪，此时应将光伏面板的姿态调整为垂直放置，以减小光伏面板的落雪面积，减少设备压力，尽可能地避免设备的损坏。

3 硬件设计模块

自动跟踪式太阳能光伏发电保护系统框图如图 1 所示。

各种传感器接收外界气象条件后，除雨雪传感器输出为高低电平的数字信号外，其他传感器均输出模拟量信号，处理电路将相应的模拟量信号，在与比较器反相端已设定的阈值信号作比较后，输出相应的高低电平信号，用于单片机判断当前的外界气象条件。单片机根据控制逻辑，执行相应的保护或者跟踪程序。

在需要进行轨迹跟踪时，单片机通过读取DS1302芯片，来获取当前时间;同时单片机采集ADXL335芯片信息，来确定当前设备的姿态，即高度角和方位角信息，通过单片机调用相应的函数和参数，通过执行控制逻辑，对电机驱动模块和反相器的输入端的电平进行控制，输入不同的电平值，对高度角电机和方向角电机的方向、启停进行控制，来调整设备姿态。

4 系统控制逻辑

不管是否夜晚，只要检测大风情况，为保护设备，减少受风面积，启动电池放平程序，只需给启动信号，开始放平后，就由外部继电器保持自锁，当完全放平后触动外部的行程开关，开关常闭断开后停止放平过程。

在无风的情况下先检测阴晴，由于检测阴晴的传感器也是光电传感器，在天黑的时候检测结果也会判断为阴天，这样就能保证不管是白天还是晚上，只要光照强度高于阈值，需要进行跟踪，在跟踪方式选择上，先检测光电跟踪模块，若检测到有光线照射在光电跟踪模块上，可判断为面板基本朝向太阳，则进行光电跟踪，若光电跟踪模块无法检测到阳光，则可判断太阳方位和面板朝向差别较大，该差别是由系统进行保护性调整姿态或系统长时间由于阴雨，夜晚的待机，导致长时间未执行跟踪程序，则需要通过轨迹跟踪的方式先进行粗跟踪，轨迹跟踪结束后再用光电跟踪的方式进行微调。该方式是为了在经过夜晚或保护后可以快速调整姿态，进行跟踪。

反之，若光线较弱，则先判断是否有雨雪，在检测到没有雨雪的情况下先判断是否是晚上，若不是晚上就进行轨迹跟踪，若是晚上就休眠。若通过检测判断已经下雨或下雪，则检测温度是否低于-5℃，当下雨同时温度低于-5℃即判断为下雪，太阳能电池板调整为垂直放置，减小落雪面积，若温度不低于-5℃，判断为仅有降雨的情况下，系统待机。

5 软件流程图

系统主程序流程图如图2所示。

系统的运行顺序如下：系统开始后进行初始化，然后自检，若自检失败，结束程序，当自检成功后执行跟踪保护程序：首先判断风速，若风速超限，无论太阳能面板处于何种状态，驱动高度角电机正转，将电池放平减少受风面积（高度角为90°）。若风速未超过限定值，则先判断阴晴传感器P1.0口电平是否为高电平，若结果为否（低电平），则此时光照强度较强，可以肯定不是夜晚，然后检测是否可以开始光电跟踪，通过检测D0是否有光线照射在上面来判断，若有光线照射为低电平时，直接进行光电跟踪，若D0无光线照射在上面，此时先进行轨迹跟踪，粗跟踪后，再进行光电跟踪细微调整。若阴晴检测电路检测为阴天（光照强度弱，可能是晚上）时，先判断雨雪检测模块设计是否有雨或雪，若检测没有雨雪，检测是否为晚上，此时有两种情况，一种是没有雨雪的白天，光强较弱，则进行轨迹跟踪，若是没有雨雪的夜晚，系统什么都不做调整。若雨雪传感器检测到有雨雪，则判断是否低温，同样有两种情况：一种是有雨雪但温度不低（下雨），无论是白天还是夜晚，系统保持不动;另一种是有雨雪，温度较低（判断为有雪），此时驱动高度角电机反转，调整面板姿态为竖直放置（高度角为0°），减少落雪面积。

6 系统硬件调试

电路搭建后通过测量各传感器在不同条件下的输出电压，调节各电位器，使得比较器的输出电压值和电路设计中的电压值一致，能够对外界环境变化准确响应，能够给单片机一个准确的输入信号，用于单片机判断外界条件，能够准确控制太阳能面板的工作姿态。

【参考文献】

【1】徐静. 自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究[D].杭州：杭州电子科技大学，2009.

【2】谢漪，谢翠婷，叶创辉. 一种四象限太阳跟踪控制系统设计[J]. 机电工程技术，2017（02）：37-41.