秦皇島技師學(xué)院 ■ 宋雅茹 高振東

0 引言

太陽自動跟蹤器主要用于太陽能光伏發(fā)電領(lǐng)域，它控制光伏組件陣列自動跟蹤太陽運行，獲得光伏發(fā)電所需最大的太陽日照量，提高光伏組件陣列的發(fā)電量。這種自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計主要采用自動控制、機械和電子等相關(guān)技術(shù)。

從地面上看，太陽在一天之內(nèi)從東到西環(huán)繞地球，只有在正午時才在南北向的水平面內(nèi)，太陽光強在正午時達到最高，隨著季節(jié)的不同，太陽光強的變化情況有所不同。由于氣候的影響，如云霧遮住太陽，都會影響太陽的光強。太陽能光強的變化直接影響太陽能發(fā)電的發(fā)電量。因此，太陽能發(fā)電采用自動跟蹤器使太陽電池方陣跟蹤太陽運行，隨時做出相應(yīng)的反應(yīng)，使太陽光垂直照射在太陽電池板的受光面上。

自動跟蹤系統(tǒng)分單軸跟蹤和雙軸跟蹤。單軸是指東西方向跟蹤太陽運行，即一天內(nèi)根據(jù)太陽方位角的不同來調(diào)節(jié)，采用單軸旋轉(zhuǎn)；雙軸跟蹤是在單軸跟蹤的基礎(chǔ)上增加垂直方向跟蹤太陽運行，即根據(jù)太陽高度角的變化來調(diào)節(jié)，有兩個旋轉(zhuǎn)軸。圖1給出了受光面不跟蹤、單軸東西跟蹤及雙軸跟蹤時年日照量的對比變化，并給出了年日照量與緯度的關(guān)系和受光面不跟蹤時太陽能方陣與地面最佳傾角。

由圖1可知，年總?cè)照樟孔畲笾蹬c緯度略有關(guān)系，即緯度增加而減小，在所示緯度范圍內(nèi)，這種變化較小。在高緯度范圍內(nèi)，日照量將顯著減小。使用跟蹤方法可大輻增加日照量。根據(jù)硅太陽電池的光電特性，當(dāng)太陽電池受照射時，太陽電池的工作電壓隨光強增加而呈指數(shù)上升，弱光時增加很快，強光下趨于飽和；電流隨光強增加而增加，強光時線性很好。所以提高入射光強，可提高太陽電池的輸出功率。

圖1 不同跟蹤情況下所得日照量與緯度關(guān)系

1 太陽自動跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計

太陽自動跟蹤控制系統(tǒng)采用雙軸自動跟蹤。如圖2所示，它是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，由光電傳感器、控制電路、電機和機械傳動4部分組成。光電傳感器自動檢測太陽光入射角及光強的變化，通過控制電路、電機和機械傳動實現(xiàn)太陽電池方陣跟蹤太陽間斷運行的跟蹤控制要求。

圖2 自動跟蹤系統(tǒng)方框圖

2 太陽自動跟蹤系統(tǒng)部件及工作原理介紹

2.1光電傳感器

光電傳感器是把光伏組件方陣法線偏離太陽光線的角度信號轉(zhuǎn)換為電信號的裝置。它是跟蹤系統(tǒng)的重要部件，它的結(jié)構(gòu)決定跟蹤的精度。跟蹤精度是控制器的一個重要技術(shù)指標(biāo)，用太陽與方陣偏轉(zhuǎn)的角度來衡量。精度高、跟蹤準(zhǔn)確，但這就意味著電動機啟動頻繁，電耗增加，影響方陣電量的輸出，同時也影響控制器的壽命。跟蹤的精度高，不僅增加了電耗和復(fù)雜性，而且往往受限于機械結(jié)構(gòu)和加工的影響，設(shè)計精度難以實現(xiàn)。根據(jù)方陣具體結(jié)構(gòu)的要求，跟蹤精度控制約在18?較為適宜。

如圖3所示，本系統(tǒng)所使用的光電傳感器由4個光電二極管、矩形和管型遮光板構(gòu)成。帶剖面線的圓圈部分為光電二極管，左右為東西向光電二極管，上下為南北向光電二極管。南北向光電二極管其中一個位于圓管底部中間位置，圓管起到遮光板的作用。

圖3 光電傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 機械傳動與支撐結(jié)構(gòu)

如圖4所示，光伏發(fā)電系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)由支撐部分和傳動部分組成，具有固定、支撐、旋轉(zhuǎn)、抗風(fēng)力和防腐防銹的功能。傳動部分東西向采用渦輪蝸桿旋轉(zhuǎn)傳動，垂直向采用齒輪齒條。渦輪蝸桿傳動結(jié)構(gòu)緊湊，傳遞動力較穩(wěn)定，工作可靠而且自鎖能力較強， 機械的傳動間隙達到0.02 m。支撐方陣的跟蹤支架采用軸架式結(jié)構(gòu)，跟蹤系統(tǒng)的輸出軸同時起到方陣支撐架的作用。機械傳動部分的強度應(yīng)能經(jīng)受工作現(xiàn)場的最大風(fēng)力，并有密封潤滑和防塵措施確保系統(tǒng)可靠性。太陽在水平運動的角度為0.25?/min，方陣的運行速度應(yīng)略大于太陽的運行速度，但不能太大，否則會因慣性作用引起方陣的往復(fù)振動。采用機械減速和電機減速同時進行的設(shè)計方案，渦輪蝸桿傳動比為180:1；垂直齒輪齒條傳動比為156:1，兩傳動系統(tǒng)分別在減速直流電機和控制器作用下，實現(xiàn)自動跟蹤太陽功能，系統(tǒng)輸出轉(zhuǎn)速小于2 rpn。

圖4 光伏發(fā)電系統(tǒng)機械傳動組裝圖

2.3 自動跟蹤控制器

目前普遍使用的自動跟蹤電路的設(shè)計有模擬電路和數(shù)字電路兩大類。數(shù)字電路采用單片機控制，較為常用，跟蹤精度較高，但電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本相對較高，抵御環(huán)境能力較差，不易維護；采用模擬電路尤其是開關(guān)類型電路，具有電路結(jié)構(gòu)簡單，穩(wěn)定性高，抵御環(huán)境能力強，易維護，成本低等優(yōu)點。本設(shè)計采用開關(guān)型電路，使得電動機帶動整個系統(tǒng)工作在間歇工作狀態(tài)，減小了系統(tǒng)的電量消耗和使用壽命，控制精度完全達到使用要求。因為光伏組件方陣是一個無人值守的系統(tǒng)，跟蹤控制功能除要求跟蹤太陽之外，還要能鑒別光強的高低，即在光強達到足以利于時開始跟蹤，光強低于這個水平時停止跟蹤。夜間時，方陣要返回到第二天的起始工作位置，并能自動切斷電源。

自動跟蹤控制器電路如圖5所示。由東西向跟蹤電路和南北向跟蹤電路兩部分組成，因兩部分電路完全相同，所以以東西向跟蹤電路為例。該控制電路主要由光電傳感器、下行遲滯電壓比較器、電機驅(qū)動電路、夜晚返回電路、輔助電路和24 V穩(wěn)壓電路等組成。

圖5 自動跟蹤控制器電路原理

光電傳感器由光電二極管D1、D2組成，如圖3所示。D1、D2位于光電傳感器左右兩邊，檢測東西向運行太陽與方陣的偏轉(zhuǎn)角度。當(dāng)太陽垂直照射在方陣上，光電二極管均被照射，均導(dǎo)通；當(dāng)隨著太陽西移時，遮光板遮擋住一側(cè)的光電二極管，另一側(cè)的受光照導(dǎo)通。

下行遲滯電壓比較器由集成運算放大器IC2A和IC2B及周圍附屬元件構(gòu)成，光電二極管作為比較器的輸入端，把模擬量送入運放反相輸入端，與一個給定電壓同相輸入端，兩者進行比較，輸出開關(guān)量，實現(xiàn)模擬量到開關(guān)量的轉(zhuǎn)換。該電路帶有正反饋，所以增加了輸入信號的幅度，提高了信號識別能力。

以D1和集成運算放大器IC2A為例對電路進行分析。光電二極管D1 把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，加在運放IC2A的反向輸入端，電壓為U-。運放同相輸入端電壓U+，電阻R4、Rw3、Rw2構(gòu)成正反饋電路，反饋信號Uf作用與同相輸入端，通過分壓電阻R3和Rw2提供參考電壓Uz。

式中，RD為光電二極管的阻值。

若光電二極管不被光照，處于截止?fàn)顟B(tài)。RD較大時，運放同相輸入電壓U+低于反相輸入電壓U-，運放輸出電壓Uo=-Uom，為飽和負(fù)電壓。該低電壓使驅(qū)動電路中開關(guān)三極管截止。當(dāng)光電二極管被光照射后導(dǎo)通，RD較小，兩端電壓變小，同相端電壓U+高于反相端電壓U-，而且在正反饋的作用下，運放同相輸入端電壓U+得到加強，運放輸出端電壓Uo=Uom，輸出為飽和高電平。該高電平使驅(qū)動電路開關(guān)管導(dǎo)通。該電路引入正反饋，大大提高電路開關(guān)速度和電路工作的準(zhǔn)確性，該電路設(shè)計性能可靠穩(wěn)定。

電機的驅(qū)動電路由繼電器JK1、JK2 和開關(guān)三極管Q1、Q3構(gòu)成。開關(guān)三極管具有控制電路簡單、集電極電流大、開關(guān)速度較快等優(yōu)點，和繼電器配合，在輔助電路的作用下，24 V電源接通使得直流電機按照要求正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止。當(dāng)D1遮擋而D2受照射時運放IC2B輸出高電平，D7導(dǎo)通，Q3飽和導(dǎo)通，線圈JK2得電，其常開觸點閉合，經(jīng)過線圈JK1的常閉觸點接通電機的24 V直流電，電機向傳感器D2 方向轉(zhuǎn)動；當(dāng)D2遮擋而D1受照射時，運放IC2A輸出高電平，二極管D6導(dǎo)通而D7、D8截止，Q3飽和導(dǎo)通，線圈JK1、JK2同時得電，電機經(jīng)過線圈JK1常開觸點和線圈JK2常閉觸點接通24 V電源，向傳感器D1 方向轉(zhuǎn)動。當(dāng)太陽垂直照射方陣時，傳感器D1和D2同時被照射，運放IC2A和IC2B同時輸出高電平，三極管Q2和Q4飽和導(dǎo)通，使得二極管D6和D7陽極接地被截止，線圈不閉合，電機不得電，停止工作。

夜晚返回、停止電路由限位開關(guān)K2 、K1和繼電器JK3構(gòu)成。當(dāng)光伏組件方陣夜晚轉(zhuǎn)到西邊時，西限位開關(guān)K2閉合，線圈JK3得電，運放IC2A反相輸入端電壓低于同相輸入端電壓，運放輸出高電壓，開關(guān)三極管Q1和Q3飽和導(dǎo)通，繼電器JK1和JK2得電，電機反轉(zhuǎn)，回到起始點。K1斷開，電機停止轉(zhuǎn)動。

輔助電路是由三極管(Q4和Q2)，二極管D6、D7、D8和相應(yīng)電阻構(gòu)成。其作用是當(dāng)太陽垂直照射在光伏組件陣列上時，使驅(qū)動三極管截止，電機停止轉(zhuǎn)動。

3 結(jié)束語

全文介紹了太陽自動跟蹤控制器電路結(jié)構(gòu)及工作原理，并進行了詳細(xì)的電路分析。該設(shè)計采用開關(guān)電路設(shè)計，巧妙地運用了二極管和三極管的開關(guān)特性，電路簡單、價格便宜而且實用、工作穩(wěn)定、耗電量少、便于維護、抵御環(huán)境能力強，綜合性能優(yōu)于數(shù)字電路和模擬電路控制器。采用跟蹤器后可使平均功率提高30%以上。

雙軸跟蹤器已應(yīng)用在我院小型太陽能電站項目上，完全達到了設(shè)計要求?？刂破鞲櫺阅芊€(wěn)定。該控制器也可用于其他太陽能應(yīng)用行業(yè)。

[1] 趙富鑫. 太陽電池及其應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985.

[2] 劉阿玲. 電子技術(shù)[M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2009.

[3] 陳安宇. 醫(yī)用傳感器[M].北京: 科學(xué)出版社, 1997.