太阳能跟踪控制系统的设计与应用

庄建铨

（汕头大学医学院附属肿瘤医院，广东汕头 515000）

0 引言

随着世界经济的高速发展，以及人口的不断增多，人类对能源的需求日益增加，年增长率达到了5%～6%。而传统的化石能源都是不可再生能源，正在日趋枯竭，所以整个世界正面临着巨大的能源危机；此外，煤炭、石油和天然气等常规能源在使用过程中会严重污染环境（如，温室效应、酸雨等），严重影响了人类的生产生活。研究、开发与利用既清洁又可再生的新能源，已越来越得到各国的重视。

新能源一般指在新技术基础上加以开发利用的可再生能源（包含了风能、太阳能、地热能、波浪能和潮汐能等）。而太阳能以其广泛性、持久性等众多的优点脱颖而出，被世界公认为最有发展前景的新能源之一［1-5］。太阳能板外景如图1所示。

图1 太阳能板外景

太阳光可以照射到地球的每个地方，所以太阳能的分布范围相当广泛。太阳能的储量也是近乎无穷的，地球表面每年接收的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，是当今世界上可以开发利用的最大能源［6-8］。另外，按照太阳产生的核能速率来进行估算，氢的贮量足以维持上百亿年之久，然而地球的寿命也只是约为几十亿年，从此意义上来说，太阳的能量是用之不竭的。同时，太阳能的利用是安全可靠、清洁干净的，且不产生污染物。

我国地大物博，太阳能资源丰富。十一五以来，我国根据能源发展现状以及和谐环境发展中出现的问题，已经开展了众多举国政策，来鼓励帮助各大中型企业开发利用环保、节能、循环、绿色新能源［9-12］。在有关政策的大力支持下，2021年，我国新增光伏发电并网装机容量约5 300万kW，已连续9年居世界首位。今后太阳能的开发和利用，必是我国能源发展的重要方向之一。

尽管太阳能有着这么多的优点，然而在其有效利用上仍然存在着许多不足。

（1）不稳定性：由于受到地理纬度、季节、昼夜、海拔高度等许多自然条件的限制，以及阴晴、云雨等随机因素的影响，所以，到达某一地面的太阳辐射度是间断的，同时也非常不稳定，这给该能源的大规模应用带来了难度。为了稳定地利用太阳能，必须解决蓄能的问题，这也是制约太阳能利用的问题之一。

（2）分散性：能流密度很低。比如，在北回归线附近，夏季天气晴朗时，正午太阳辐射的辐照度是最大的，在垂直于太阳光方向1 m2面积地面上接收到的太阳能平均有约1 000 W；但若按全年日夜平均，则只有约200 W。如果再考虑到冬季的辐射强度为夏季的约一半，阴天一般只有约晴天1／5等，算得的能流密度是很低的［13］。

（3）经济性：因为太阳能利用装置成本较高、效率偏低等问题，其经济性还不能跟常规能源竞争［5］。

可见，为了科学合理地发展光伏发电产业，提高太阳能发电效率是十分重要的。而太阳能跟踪控制系统就是能有效提高太阳能利用率的方法之一。太阳能跟踪控制系统能实现最大限度地获得输出功率。通过跟踪太阳光直射方向，系统在不同时间、地点能够自动控制太阳能电池板的方向、角度，使电池板接收到尽可能多的太阳辐射，进而提高输出功率。由相关理论分析可知，通过实施此方法，可有效提升太阳能电池的发电效率达20%以上。

1 控制系统原理

国内外目前的太阳能跟踪装置，根据它的工作原理可以大致分为以下两大类：光电跟踪法——基于能量的跟踪方法；运动轨迹跟踪法——太阳运行轨迹跟踪法。本文将详细分析“运动轨迹跟踪法”，并用此分析法来设计跟踪控制系统。

1.1 光电跟踪法

光电跟踪法是应用光敏元件来实现对太阳位置的定位、跟踪。当太阳光板倾斜射入集热板时，集热器板上的光敏元件会因太阳光的斜射角度不同反馈不同的信号偏差，利用此偏差值来调整集热器板，直到偏差为零。光敏元件虽然灵敏度高，但受天气影响较大，导致阴雨天系统跟踪太阳的效果较差，还可能引起机械传动装置的误动作［8］。

1.2 运动轨迹跟踪法

运动轨迹跟踪法是通过太阳位置的变化规律来建模，继而制定跟踪方案，并通过驱动装置来调整太阳能电池板的方向、角度，使板面与阳光直射方向相垂直（即，提高太阳辐射度），提高光能采集率，进而提高输出功率［14-18］。

太阳方位模型如图2所示，对其分析如下。

图2 太阳方位模型

太阳的位置，可由太阳高度角αs、太阳方位角γs来确定。αs为太阳俯仰角（0°≤αs≤90°），即太阳光线与地表水平面之间的夹角；γs为太阳光在地面上的投影线与南北方向线的之间夹角。高度角αs、方位角γs可由天文公式计算得出：

式中：φ为当地地理纬度角，可由GPS等精密导航仪获得；δ为太阳的赤纬角，即太阳光线与地球赤道面交角，δ不是固定值，其值随季节变化而改变，春分时δ＝0°，夏至时δ＝23.5°，秋分时δ＝0°，冬至时δ＝-23.5°；n为一年中的日期号，如设1月1日这一天n＝1，之后每隔1天就加1；ω为时角，由当地时间确定。

日常生活时间采用平均太阳时t（北京时间）。t0则为真太阳时的时差，通过下式计算：

σ是当地地理经度角。如，中国汕头的经度为117°。e为时差t0，可由下式得出：

日出和日落时，太阳的高度角αs＝0°；由式（1）可以求出太阳时角ω，计算得出的ω正值是上午的日出时角，负值是下午的日落时角。计算式（4）的t求出日出时间t1和日落时间t2。

由式（1）～（7）可计算出某地区的太阳在不同时间的实际位置［19］（即算得αs、γs、δ各值）。

2 系统机械结构

本系统主体机械结构如图3所示，由太阳能电池板、底座、连接杆、减速电机1、蜗杆1、齿轮1、减速电机2、蜗杆2、齿轮2组成。

图3 机械结构传动示意图

通过减速电机1的转动，带动蜗杆1同步转动，进而驱动齿轮1转动，实现太阳能电池板高度角αs的调整；同理，通过减速电机2的转动，带动蜗杆2同步转动，进而驱动齿轮2转动，实现太阳能电池板方向角γs的调整。

在PLC程序中用前述的运动轨迹跟踪跟踪法，算出太阳高度角αs、方位角γs后，结合齿轮比，PLC就能通过运动模块控制伺服放大器来驱动减速电机（减速电机采用伺服型电机）转动。实现对电池板的高度角、方位角的调整，使电池板正对太阳，实现最大的光能辐射采集。

3 系统电气控制

控制系统采用三菱Q系列PLC控制系统，结构示意图如图4所示。该PLC具有的功能：（1）强大的运算指令功能，且能计算复杂的三角函数运算，可满足太阳运行轨迹跟踪的天文学公式的计算；（2）通过以太网模块链接上位机和触摸屏，接收系统所在的地理坐标、实时时间等信息；（3）PLC中的QD75伺服运动模块能控制两台伺服电机精确转动来控制电池板调整高度角、方位角［20-23］。

图4 控制系统结构示意图

结合上文的太阳方位计算公式，编写PLC程序，如图5所示。当上位机通过以太网传递当地的实时时间、经纬度信息给PLC，PLC就能计算出太阳的实时位置，进而控制QD75模块输出准确的脉冲数给伺服放大器来准确运转电机转动，电机通过齿轮传动系统就能精确调整电池板的高度角、方位角，来提高电池板的太阳辐射采集率，提高输出功率。

图5 程序控制流程

4 应用效果分析

选取性能参数相同的两块太阳能电池板进行为期1周的对照试验：太阳能电池板1安装在太阳能跟踪控制系统的机械结构上（图3），太阳能电池板2按正午时电池板接受到太阳辐射最大的角度固定安装。每日实验从早上6点开始到下午6点结束，每隔1 h对两块电池板的输出功率进行采样记录，并将一周的实验中每天相同时刻的输出功率记录数据求平均值，将记录的数据进行描点绘图，得到图6所示的输出功率分时数据图。由实验可知，（电池板1的每1 h输出功率记录值的总和）／（电池板2的每1 h输出功率记录值的总和）＞120%，即电池板1综合输出功率是电池板2综合输出功率的1.2倍以上。所以，太阳能跟踪控制系统能有效提高电池板的光伏采集率，进而提高输出功率。

图6 电池板输出功率分时数据

5 结束语

本文通过对天文学的知识的运用（球面天文学和立体几何学原理），并导入当地经纬度、时间信息，来推导太阳的位置的函数关系式，计算得出太阳的实时位置。并设计了太阳能跟踪控制系统，用PLC结合所得算法，在软件中计算得出太阳位置，驱动机械结构传动来跟踪太阳。使该控制系统能在不同时间、地点自动控制光伏电池板的方向、角度，来接收到更多的太阳辐射，进而提高输出功率。

本文虽然实现了预期的控制要求，但是由于时间和能力水平的限制，还存在不少需要改进和完善的地方：（1）建模所得的太阳位置数据跟具体实际仍有一定偏差，需与具体的数据对比，引入偏差分量来得到更准确的太阳位置，从而更好地完成跟踪；（2）控制系统常年放置在室外，通常室外环境较为恶劣，所以在系统设计中还需引入风力保护措施（加装风力风向传感器分析采风结构受力模型，来设计风力保护措施）。