李訓(xùn)濤，張　明

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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高倍聚光太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)

李訓(xùn)濤，張明

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

為了解決聚光太陽(yáng)能電池板需要的高精度、低成本跟蹤系統(tǒng).設(shè)計(jì)了一種雙軸太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng).該系統(tǒng)由雙直流電機(jī)、光跟蹤傳感器、主控與直流電源電路組成.光跟蹤傳感器可以檢測(cè)光照強(qiáng)度，修正采用視日運(yùn)行軌跡跟蹤原理計(jì)算的誤差、機(jī)械誤差等.跟蹤精度可以達(dá)到0.1°，從而滿足了聚光太陽(yáng)能電池板的跟蹤要求.

高聚光太陽(yáng)能；太陽(yáng)能電池板；雙軸；光跟蹤傳感器

0　引　言

目前全球能源危機(jī)，發(fā)展新能源成為各個(gè)國(guó)家的首要任務(wù).太陽(yáng)能作為一種穩(wěn)定能源，擁有取之不盡的能量，它正在慢慢地滲入到各個(gè)領(lǐng)域，相信在不久的將來(lái)，太陽(yáng)能將廣泛用于各個(gè)行業(yè)，有利于緩解全球能源危機(jī)及環(huán)境污染.就太陽(yáng)能能源轉(zhuǎn)換效率來(lái)講，除了太陽(yáng)能電池板的能量轉(zhuǎn)換效率尤為重要外，太陽(yáng)能電池板是否能夠跟蹤太陽(yáng)方位，接收最大的能量亦成為不可忽視的一部分.據(jù)可靠計(jì)算：當(dāng)受光方位角度偏于45°以上時(shí)，能量將損失50%以上；而對(duì)于高倍聚光太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)則對(duì)跟蹤精度有更高的要求，一般要求在0.2°以內(nèi)甚至更高.目前太陽(yáng)跟蹤設(shè)備的結(jié)構(gòu)復(fù)雜,開發(fā)成本高,限制了其在光伏產(chǎn)業(yè)的普及,因此研究應(yīng)用范圍廣,跟蹤精度高,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低的太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)已迫在眉睫.

高倍聚光太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)利用太陽(yáng)能跟蹤傳感器，不僅能夠確定自身方位，而且能夠判斷太陽(yáng)方位，并通過(guò)主控系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板方位以求得最大光照，跟蹤精度在有光照情況下可以達(dá)到0.1°.它是一種完全借助光伏探測(cè)器、加速度傳感器等設(shè)備形成的自動(dòng)控制技術(shù).擁有成本低、精度高、可靠性高等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)將會(huì)有很大的應(yīng)用前景.

基于當(dāng)今太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)有“V”型、“T”型、“W”型等.本文將主要介紹T型雙軸跟蹤系統(tǒng).

1　高倍太陽(yáng)能聚光

圖1　菲涅耳透鏡聚光原理圖Fig.1　The principle diagram of fresnel lenses

光伏發(fā)電經(jīng)歷了第一代晶硅電池和第二代薄膜電池.為了能夠得到更高的光電轉(zhuǎn)換效率，第三代太陽(yáng)能高倍聚光系統(tǒng)逐步進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用中.太陽(yáng)能高倍聚光的幾何聚光比一般都在120以上，目前的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)效率高達(dá)40.7%，高倍聚光太陽(yáng)能發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率將來(lái)還具有巨大的提升空間.

太陽(yáng)能聚光方式大概有反射式、透射式與組合式，所用裝置有菲涅耳透鏡、碟式反射鏡等[1,2]，菲涅耳透鏡式的原理如圖1所示，它將垂直入射的太陽(yáng)光利用折射原理折射到透鏡中心線附近，從而能夠提高聚光倍數(shù)[3,4].由于聚光電池板一般較小，光斑能不能投射到電池板直接關(guān)系到能不能有效實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換.

2　光跟蹤傳感器

光跟蹤傳感器主要由四象限光伏探測(cè)器、加速度傳感器、地磁傳感器等組成.

2.1光伏探測(cè)器

四象限光伏探測(cè)器是重要的功能單元，它是在有光照情況下確定系統(tǒng)跟蹤位置的主要傳感單元.如圖2所示，為入射光強(qiáng)短路電流、開路電壓關(guān)系，入射光強(qiáng)與短路電流具有很好的直線特性；圖3為該器件的輸出電壓短路電流與光照面積的曲線圖(光照強(qiáng)度為50 mW/cm2)，可以看出該器件電流輸出與光強(qiáng)也具有很好的線性關(guān)系；不僅如此，此器件的溫度、內(nèi)阻等特性也很穩(wěn)定.正是如此，利用它的電流輸出可以很容易地檢測(cè)光強(qiáng)及光偏差.但是由于陽(yáng)光照射的范圍很廣，必須將太陽(yáng)光轉(zhuǎn)換成光斑形式照射到探測(cè)器上，跟蹤傳感器采用透鏡成像原理將太陽(yáng)成像到光探測(cè)器上，如圖4所示.采用這樣的結(jié)構(gòu)不僅可以成像到探測(cè)器上，而且可以提高輸出靈敏度，從而可以提高控制精度，透鏡的實(shí)際聚光倍數(shù)與透鏡的聚光能力與透鏡與光伏探測(cè)器的距離有關(guān)，但又要考慮光斑太小會(huì)提高受光面溫度，實(shí)際的聚焦倍數(shù)控制在16倍左右，光斑直徑在10 mm.

圖2　入射光強(qiáng)與電壓電流關(guān)系Fig.2　The interactions between incident intensity and voltage-current

圖3　光照面積與電壓電流關(guān)系Fig.3　The interactions between light coverageand voltage-current

四象限光伏探測(cè)器由4塊性能相同的光伏探測(cè)器組成.4個(gè)象限在相同光強(qiáng)下能否輸出大致相同的電壓電流，將直接影響到光跟蹤的精度，為了確保跟蹤精度采用整塊分割技術(shù)，即：在一塊圓形的光伏探測(cè)器上分割出4塊面積相同的區(qū)域.如圖5所示，這4塊區(qū)域分為上下左右(UDLR)4個(gè)象限，電流轉(zhuǎn)換器首先將電流轉(zhuǎn)化為電壓，其中上下兩塊光照強(qiáng)度相減便可以檢測(cè)光斑的垂直偏差程度(記為L(zhǎng)TUD)，左右相減可檢測(cè)光斑的水平偏差程度(記為L(zhǎng)TLR)，4塊光強(qiáng)之和共同檢測(cè)光照強(qiáng)度(記為L(zhǎng)UM)，用于判定有無(wú)日照.

圖4　光探測(cè)器模型Fig.4　Light detector mode

圖5　光斑位置檢測(cè)原理圖Fig.5　The schematic diagram of the optical spot detection

2.2位置傳感器

對(duì)于W型太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，主要需要兩個(gè)參數(shù)：方位角與俯仰角.傳統(tǒng)的方式采用編碼器采集角度，編碼器一方面價(jià)格較高，其次對(duì)系統(tǒng)也有很高要求，比如突發(fā)斷電、編碼器線路故障等均會(huì)引起系統(tǒng)致命錯(cuò)誤.光跟蹤傳感器不僅可以測(cè)量光偏差，而且自身帶有加速度傳感器與磁阻傳感器，只要將傳感器安裝在太陽(yáng)能電池板同一個(gè)平面上，就可以利用它們測(cè)出方位角與俯仰角，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)降低了成本.

為了解決側(cè)傾角對(duì)傳感器俯仰角的影響，加速度傳感器采用三軸±3 g加速度傳感器ADXL335，該芯片將3軸加速度傳感器集成在一塊芯片上，大小只有4*4mm，它將加速度信號(hào)轉(zhuǎn)成電壓直接輸出.為了減小俯仰對(duì)地磁信號(hào)的影響，地磁阻傳感器選用一片雙軸磁傳感器HMC1052與一片單軸磁傳感器HMC1051組成三軸磁阻傳感器構(gòu)成三軸地磁傳感器以確定方位角.跟蹤傳感器總體結(jié)構(gòu)如圖6所示，圖6中所有傳感器信號(hào)均以電流或以電壓方式輸出，經(jīng)過(guò)功放電路轉(zhuǎn)換即可輸入到8路10 b AD轉(zhuǎn)換器[5,6]，片上系統(tǒng)就可以測(cè)出三個(gè)方向上的加速度與地磁大小；從而確定傳感器與重力加速度及地磁正南的夾角，即可以確定安裝面的俯仰角與方位角.傳感器光強(qiáng)、光偏差信息、俯仰角與方位角均通過(guò)RS485傳輸至主控系統(tǒng).

圖6　跟蹤傳感器結(jié)構(gòu)框圖Fig.6　Tracking sensor structure diagram

光跟蹤傳感器不僅可以提高太陽(yáng)光跟蹤精度，還可以確定自身的俯仰角及方位角；結(jié)構(gòu)小巧，功能豐富，大大簡(jiǎn)化了整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了穩(wěn)定性.

3　主控系統(tǒng)

主控系統(tǒng)主要包括主控板與電源控制板.

3.1主控電路

圖7　主控結(jié)構(gòu)框圖Fig.7　Main control structure diagram

主控電路的主要功能有：與光跟蹤傳感器通訊獲取光及位置信息等；提供精確時(shí)鐘，及由時(shí)間得出太陽(yáng)高度角與方位角；輸出控制信息，控制電機(jī)動(dòng)作等，詳細(xì)功能如圖7所示：時(shí)鐘電路可以提供實(shí)時(shí)年月日時(shí)分秒，系統(tǒng)顯示的為北京時(shí)間，而實(shí)際在計(jì)算太陽(yáng)角度的時(shí)候用到的是當(dāng)?shù)貢r(shí)間，下文中提及的時(shí)間為當(dāng)?shù)貢r(shí)間；不僅如此，時(shí)鐘的精度對(duì)系統(tǒng)也尤為重要，為了能夠提供穩(wěn)定的高精度時(shí)間，這里采用了高精度時(shí)鐘芯片與晶振，實(shí)際精度可以控制在每月5 s的變化量，而且系統(tǒng)可以根據(jù)太陽(yáng)光上下午太陽(yáng)高度角一致原則自動(dòng)校準(zhǔn)時(shí)間，但是必須同時(shí)在光控控制下達(dá)到相同的角度；ARM處理器利用時(shí)間與地理經(jīng)緯度即可以計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)際方位角與高度角，方位角與高度角計(jì)算公式為[7]

sinH=sinδsinφ+cosδcosφcosω,

(1)

(2)

式中：H為太陽(yáng)高度角；A為太陽(yáng)方位角(太陽(yáng)方位角為太陽(yáng)方位與正南方的夾角，上午時(shí)，角度為負(fù)角)；δ為太陽(yáng)赤緯；φ為觀測(cè)點(diǎn)的地理緯度；ω為太陽(yáng)時(shí)角.計(jì)算出的太陽(yáng)方位角與高度角決定啟動(dòng)與關(guān)閉跟蹤系統(tǒng)、定位太陽(yáng)能板大致位置，由于依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)無(wú)法調(diào)整到很高的精度，產(chǎn)生的誤差將由光跟蹤傳感器進(jìn)行修正.

主控電路還包含有兩路RS485通訊端口，一個(gè)端口接收光跟蹤傳感器信息，得到垂直光偏與水平光偏，系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整方位以確保垂直光偏與水平光偏控制在一定范圍以內(nèi)；另一個(gè)端口可以輸出目前的時(shí)間、太陽(yáng)高度角、方位角等信息；也可用于校準(zhǔn)時(shí)間、輸入經(jīng)緯度與更改光強(qiáng)閾值等；還可以拓展將多臺(tái)控制系統(tǒng)與控制中心計(jì)算機(jī)連接組成大型發(fā)電場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，以便集中控制與監(jiān)控.

輸入光電隔離部分可以接收外部限位傳感器信息或者編碼器信息，輸出光電部分主要為輸出控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)信號(hào)，例如：電機(jī)電源開關(guān)、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向等.鍵盤與顯示部分主要是為了添加人機(jī)操作功能，通過(guò)按鍵與顯示可以輸入地理經(jīng)緯度、時(shí)間、光強(qiáng)閾值及光差閾值等；在系統(tǒng)觸發(fā)工作后，還可以顯示目前太陽(yáng)能板俯仰角與方位角等.

3.2電源控制

為了能夠兼容交流與直流電機(jī)，電源控制電路與主控電路分開，且采用光電隔離技術(shù)，這樣即可以減少電機(jī)開關(guān)對(duì)主控電路的影響，又可以提高兼容性，適用于大小功率的直流或交流電機(jī).無(wú)需編碼器或步進(jìn)電機(jī)，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低成本.

4　跟蹤傳動(dòng)裝置

圖8　“T”型太陽(yáng)能跟蹤裝置Fig.8　Solar Tracker for T-type

“T”型太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)傳動(dòng)裝置主要包括回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)、垂直推桿與其他附屬裝置，如圖8所示.其中回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)用于調(diào)整水平方位角，垂直推桿用于調(diào)整太陽(yáng)能電池板俯仰角，俯仰角為太陽(yáng)能電池板與地面的夾角，角度范圍為0°～70°，對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)高度角為90°～20°.對(duì)于處于北回歸線以南的地區(qū)，采用強(qiáng)制順時(shí)鐘方式調(diào)整方位角，然后利用光跟蹤傳感器微調(diào)俯仰角.對(duì)于不同功率的太陽(yáng)能電池板，所用的回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)與推桿也不同，為了防止意外情況，推桿的上下兩端分別有限位傳感器，防止推桿上下脫位；回轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)也有限位傳感器，根據(jù)我國(guó)太陽(yáng)方位角的最大范圍，設(shè)置為東偏北20°與西偏北20°[8,9].

整個(gè)太陽(yáng)能系統(tǒng)信號(hào)傳輸均采用數(shù)字信號(hào)傳輸，確保數(shù)據(jù)的可靠性.對(duì)于出現(xiàn)的意外情況，例如：光控傳感器通訊錯(cuò)誤，則采用CRC校驗(yàn)確定數(shù)據(jù)的正確性，如果出現(xiàn)異常，將關(guān)閉系統(tǒng)并在顯示模塊顯示相關(guān)錯(cuò)誤代碼.

5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果選擇理論公式計(jì)算作為真值，跟蹤傳感器輸出角度作為比較值，光偏差作為參考值.由于角度傳感器(方位角)輸出精度只有1°，仰角只精確到0.1°，因此利用理論值控制角度無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度控制.實(shí)際實(shí)驗(yàn)效果以500 mm長(zhǎng)標(biāo)桿影長(zhǎng)作為有光照時(shí)的跟蹤精度參考.如表1為一天內(nèi)光照良好的一組數(shù)據(jù).

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出：高倍太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)能夠有效地提升跟蹤精度，精度范圍在0.1°范圍內(nèi).具體的誤差因素有：① 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與框架與地面的平行度對(duì)跟蹤精度的影響；② 聚光裝置與探測(cè)傳感器不在同一平面引起的誤差；③ 光伏探測(cè)器的分散性引起的誤差.

表1　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

6　結(jié)　論

高倍聚光太陽(yáng)能電池板跟蹤系統(tǒng)利用光伏探測(cè)器修正跟蹤精度，此結(jié)構(gòu)采樣與高倍聚光太陽(yáng)能板結(jié)構(gòu)相似，不僅可以實(shí)現(xiàn)很高的控制精度，而且降低了成本；不僅適用于聚光太陽(yáng)能電池板，普通太陽(yáng)能板也同樣適用；人機(jī)界面方便信息的輸入與狀態(tài)的讀?。活A(yù)留的通訊端口不僅可以監(jiān)視工作狀態(tài)還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，以便形成大型監(jiān)控網(wǎng)絡(luò).但是，由于傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的T型結(jié)構(gòu)影響，俯仰角與方位角有一定的工作范圍，無(wú)法實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)高度角較小時(shí)的跟蹤；對(duì)此，可以將此控制系統(tǒng)用于其他結(jié)構(gòu)的跟蹤傳動(dòng)裝置以解決這個(gè)問(wèn)題.

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The Tracking System of HCPV Solar Panel

LI Xuntao,ZHANG Ming

(College of Aerospace Engineering,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,China)

To meet the demands of high accuracy and low cost on the condensation solar energy photovoltaic panel and tracking system,this paper introduced a two-axis tracking system of HCPV,which based on double DC Motor,spotlight tracking sensor,main control and DC power circuit .The spotlight tracking sensor can detect the illumination strength and correct he errors of calculate and mechanical y the Principle of the solar running track.The tracking accuracy has reached 0.1 degree,so it completely meets the requirements of the HCPV.

HCPV；solar panel; two-axis; spotlight tracking sensor

1671-7449(2016)05-0432-06

2016-01-19

江蘇高校優(yōu)勢(shì)學(xué)科建設(shè)工程資助項(xiàng)目

李訓(xùn)濤(1983-)，男，實(shí)驗(yàn)師，碩士，主要從事測(cè)試技朮與傳感器研究.

TP212.6

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7449.2016.05.012