， ，，

(中原工學(xué)院，鄭州 450007)

近年來(lái)，新能源的發(fā)展為日趨嚴(yán)重的能源危機(jī)帶來(lái)了曙光。光伏發(fā)電作為新能源利用方式之一，因其清潔環(huán)保、儲(chǔ)量巨大、利用方便等優(yōu)勢(shì)而發(fā)展非常迅速。但其較低的光電轉(zhuǎn)換效率和較高的開(kāi)發(fā)成本卻制約了光伏發(fā)電的可持續(xù)發(fā)展。為了提高光伏發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率，降低發(fā)電成本，本文利用太陽(yáng)跟蹤技術(shù)，設(shè)計(jì)了高精度的光伏發(fā)電跟蹤控制器。所謂太陽(yáng)跟蹤技術(shù)就是使太陽(yáng)能收集器表面法線(xiàn)依照太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律作相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)光入射角減小的技術(shù)[1]。

1 跟蹤控制方法的優(yōu)化

目前，光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)采用的跟蹤方式主要有光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤。為了提高跟蹤精度，人們更多地選擇光電跟蹤與視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤相結(jié)合的跟蹤控制方式[2]。在文獻(xiàn)[3]中，系統(tǒng)可根據(jù)天氣情況轉(zhuǎn)換跟蹤方式，晴天時(shí)采用光電跟蹤方式，陰天時(shí)切換到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式。兩種跟蹤方式相互切換，可達(dá)到對(duì)太陽(yáng)高精度跟蹤的目的。在文獻(xiàn)[4]中，系統(tǒng)采用兩級(jí)混合跟蹤，第一級(jí)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤，第二級(jí)采用光電跟蹤。實(shí)際上，這種跟蹤方法為滯后跟蹤(正向跟蹤時(shí))或超前跟蹤(反向跟蹤時(shí))[5]，即電池板法線(xiàn)始終滯后或超前于太陽(yáng)入射光線(xiàn)。這些跟蹤方法雖然可以通過(guò)縮短跟蹤時(shí)間間隔來(lái)提高太陽(yáng)輻射利用率，但增加了系統(tǒng)的功耗和電機(jī)啟動(dòng)停止的頻率，會(huì)減少電機(jī)本身的壽命[6]。為此，本文采用一種交錯(cuò)跟蹤方式，在不增加系統(tǒng)功耗和電機(jī)啟、停頻率的條件下提高對(duì)太陽(yáng)輻射能量的利用率。

圖1所示為跟蹤模型圖。在日地平均距離下，假設(shè)在A(yíng)處太陽(yáng)初始輻射強(qiáng)度為R0時(shí)電池板正對(duì)太陽(yáng)光照射，為了方便計(jì)算，將某段時(shí)間內(nèi)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的變化視為線(xiàn)性變化，即R=R0+kt，其中k為線(xiàn)性系數(shù)，t為時(shí)間變量。在跟蹤過(guò)程中，太陽(yáng)光線(xiàn)隨時(shí)間推移轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度θ,則電池板法線(xiàn)方向上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為：

圖1 跟蹤模型圖

Rn=(R0+kt)cosθ

(1)

將式(1)對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，則可以計(jì)算電池板的太陽(yáng)輻射能量：

(2)

假設(shè)系統(tǒng)跟蹤過(guò)程中太陽(yáng)在tA時(shí)刻A處的運(yùn)行位置與電池板重合，此時(shí)控制系統(tǒng)立即啟動(dòng)視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式，讓電機(jī)帶動(dòng)電池板旋轉(zhuǎn)到tB時(shí)刻的B處，再等待跟蹤時(shí)間間隔T，太陽(yáng)運(yùn)行到C處。在此過(guò)程中，太陽(yáng)運(yùn)行必定經(jīng)過(guò)B處與電池板位置重合,完成一個(gè)周期跟蹤調(diào)整。如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)全天自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的目的。電池板法線(xiàn)與太陽(yáng)入射光線(xiàn)的位置關(guān)系為超前、重合、滯后。若跟蹤時(shí)間間隔0

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

系統(tǒng)主要由DSP控制器、時(shí)鐘模塊、光電檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、太陽(yáng)能電池板等部分組成。DSP作為整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)運(yùn)算和控制。時(shí)鐘模塊負(fù)責(zé)把全年每天的時(shí)間信息提供給DSP。光電檢測(cè)模塊包括光電探測(cè)器、調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路等。位置檢測(cè)模塊包括光電編碼器、正交編碼電路等。驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動(dòng)電路和直流減速電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)械裝置等。圖2所示為光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.2 系統(tǒng)工作原理

光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合的控制方式。與以往控制策略不同，本文優(yōu)化了跟蹤控制方式，即在跟蹤時(shí)刻選擇視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模式，調(diào)整電池板到滯后30 min時(shí)刻的位置，系統(tǒng)存儲(chǔ)當(dāng)前位置信息，等待30 min，啟動(dòng)光電跟蹤模式，校正視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤產(chǎn)生的誤差。光電檢測(cè)模塊檢測(cè)到位置信號(hào)的電壓差值超過(guò)閾值時(shí)立即將此信號(hào)放大，經(jīng)控制器分析處理后發(fā)出指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，直至電壓差值小于閾值，保證電池板精確跟蹤太陽(yáng)。再等待30 min后，進(jìn)入下一次跟蹤，如此循環(huán)，實(shí)現(xiàn)全天跟蹤。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

DSP控制器因其先進(jìn)的軟、硬件結(jié)構(gòu)，且具有事件模塊管理功能及快速中斷處理功能，以及價(jià)格日趨降低等優(yōu)勢(shì)，而越來(lái)越成為一種極為方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制的微處理器[7]。因此，本文選用合眾達(dá) SEED-DEC2812開(kāi)發(fā)板作為光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)的核心。

3.1.1 時(shí)鐘模塊

合眾達(dá)SEED-DEC2812開(kāi)發(fā)板上配置有X1226實(shí)時(shí)時(shí)鐘和512×8位的串行EEPROM，可以產(chǎn)生年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等時(shí)間信息，采用串行IIC總線(xiàn)與微處理器接口，可以存儲(chǔ)定值，非常適用于工業(yè)控制場(chǎng)合。X1226與F2812及晶振連接如圖3所示。

圖3 X1226與F2812及晶振連接圖

3.1.2 光電檢測(cè)模塊

圖4 光電探測(cè)器模型圖

圖5 光電探測(cè)器的側(cè)視圖

3.1.3 驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本文選用直流減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，它內(nèi)部的減速機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以L(fǎng)298N為控制芯片，驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)。L298N是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，直接采用TTL邏輯電平控制，驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)46 V，直流電流總和可達(dá)4 A，內(nèi)部有2個(gè)完全相同的PWM功率放大回路，兩路輸出可分別控制電機(jī)水平方向和俯仰方向旋轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制流程如圖7所示。系統(tǒng)首先初始化相應(yīng)模塊，再讀取當(dāng)前時(shí)間，判斷是否在跟蹤時(shí)間范圍(7：00-18：00)內(nèi)。系統(tǒng)首次跟蹤時(shí)刻在7：00時(shí)，選擇視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方法讓電機(jī)旋轉(zhuǎn)到7：30時(shí)的位置，到7：30時(shí)再通過(guò)光電檢測(cè)模塊檢測(cè)光強(qiáng)偏差是否超過(guò)閾值，若超過(guò)光強(qiáng)閾值，則啟動(dòng)光電跟蹤，再休眠30 min，到8：00時(shí)進(jìn)入下次跟蹤。如此循環(huán)，到18：00時(shí)系統(tǒng)停止跟蹤，實(shí)現(xiàn)全天自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的目的。

圖7 系統(tǒng)控制流程圖

4 實(shí)驗(yàn)和分析

利用天文觀(guān)測(cè)軟件SkyMap計(jì)算鄭州地區(qū)(東經(jīng)112°36′，北緯34°42′)某天的太陽(yáng)高度角和方位角數(shù)據(jù)，將其作為理論真值，與系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試值對(duì)比。系統(tǒng)通過(guò)直流減速電機(jī)(減速比為1∶300)自帶的光電編碼器記錄每次轉(zhuǎn)過(guò)的角度。實(shí)驗(yàn)記錄了2013年12月2日系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)跟蹤精度小于1°。表1為SkyMap計(jì)算值與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值的數(shù)據(jù)對(duì)比。實(shí)驗(yàn)中還測(cè)試了固定式和跟蹤式兩種裝置從7：30到17：30的采樣光強(qiáng)大小。圖8所示為固定式裝置和跟蹤式裝置接收光強(qiáng)的對(duì)比圖。從圖8可以看出，跟蹤式裝置光強(qiáng)接近或超過(guò)500 W/m2的時(shí)間有6 h，比固定式多3 h，能夠提高太陽(yáng)輻射能量利用率。

表1 SkyMap計(jì)算值與系統(tǒng)實(shí)測(cè)值

圖8 兩種裝置接收光照強(qiáng)度對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電逐日跟蹤控制系統(tǒng)晴天運(yùn)行良好；短暫陰云天可以自動(dòng)停止光電跟蹤，只進(jìn)行視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤；長(zhǎng)時(shí)間的陰雨天系統(tǒng)停止跟蹤。它采用優(yōu)化的跟蹤控制方法，使電機(jī)停止啟動(dòng)次數(shù)減少，且提高了太陽(yáng)輻射利用率。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，跟蹤精度高，運(yùn)行穩(wěn)定可靠。

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