焦迎雪

(山西輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030013)

0 引言

近年來，地球上的能源危機和環(huán)境污染問題越來越嚴重，人類現(xiàn)在急需擴大開發(fā)利用新型的清潔可再生能源。作為清潔可再生的新型能源，太陽能的研究與應(yīng)用具有廣大的發(fā)展前景和深遠的研究意義。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，控制器起著舉足輕重的作用，它的性能的好壞直接影響到太陽能利用效率的高低。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)也被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域。它是以應(yīng)用為中心，適應(yīng)于應(yīng)用系統(tǒng)的專用化的計算機系統(tǒng)，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到光伏發(fā)電控制系統(tǒng)中，可以進一步提高光伏控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。這也是今后研究太陽能控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。

1 嵌入式系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，集成化越來越高，嵌入式系統(tǒng)作為以應(yīng)用為主要功能、以電子集成CPU技術(shù)為基礎(chǔ)、可進行軟件硬件裁剪的專用的微型計算機處理系統(tǒng)，它涉及到先進的CPU技術(shù)、傳感器技術(shù)、電子技術(shù)等各個行業(yè)的具體應(yīng)用技術(shù)，所以它是一個在技術(shù)上高度密集、資金上高度密集、領(lǐng)域分布上高度分散并且在進行著不斷創(chuàng)新的集成電子系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)作為一個信息采集分析和輸出的控制器，主要具有對被控制對象進行控制，使其能被智能指控的功能。與傳統(tǒng)的電子計算機技術(shù)相比具有專用性強、實時性好、可裁剪性好、可靠性高和功耗低等各項特點。該系統(tǒng)組成如圖1所示[1]。

圖1 嵌入式系統(tǒng)的概念和組成

嵌入式系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于人們生活的各個方面，為人們生活提供了很大的便利，使人們的生活方式也發(fā)生了很大的變化。

2 光伏發(fā)電與太陽能跟蹤技術(shù)的研究

2.1 光伏發(fā)電

光伏電池組件相當于一塊大面積的半導(dǎo)體二極管，它具有單向?qū)щ娦?，它是在半?dǎo)體晶體結(jié)構(gòu)的PN結(jié)區(qū)間摻雜進雜質(zhì)，當有光照射到電池組件上時，高速光子可使其產(chǎn)生自由電子和空穴，從而在PN結(jié)逐漸形成一個光生電場。在電源外電路上接一個電阻R作為負載，其兩端將會有電流流過，產(chǎn)生有功功率。這就是光伏電池的光生伏特效應(yīng)原理[2]。

2.2 跟蹤技術(shù)的原理

視日運動軌跡跟蹤就是根據(jù)太陽的運動規(guī)律來實現(xiàn)對太陽的跟蹤，視日運動軌跡跟蹤的關(guān)鍵就是要確定太陽的位置。本文主要就是描述太陽在兩種坐標系中的表達方式，選定跟蹤所要的坐標并且給出其中所要用到的參量及計算方法，分析太陽時角和方位角的變化，為光伏控制系統(tǒng)的設(shè)計及硬件設(shè)計提供基礎(chǔ)。

3 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

太陽能跟蹤控制系統(tǒng)包括光線傳感單元，限位器，光伏電池組件，光伏電池組件移動電機，控制器等。通過光線傳感器采集太陽光的高度角和方位角，然后對其進行運算分析利用控制器控制兩臺步進電機來驅(qū)動光伏電池陣列對太陽光高度角和方位角進行跟蹤移動，以保持電池陣列的光接收面與太陽光始終垂直，使光伏陣列達到太陽能轉(zhuǎn)換成電能的最大效率。

該系統(tǒng)進行光伏發(fā)電時，接入負載后測試輸出電流、輸出電壓和輸出功率，計算光伏電路的最大輸出功率，利用控制電路實現(xiàn)MPPT單元來跟蹤光伏電池陣列最大輸出功率點，在任何光照環(huán)境下都可以輸出最大功率，增大太陽能的轉(zhuǎn)換效率。系統(tǒng)的跟蹤控制功能主要是通過ARM微處理器的嵌入式系統(tǒng)來實現(xiàn)的。

在整個系統(tǒng)設(shè)計中，傳感器功能單元接收各個傳感器采集的采樣信號，對其進行分析得到相應(yīng)的信息然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換后作為輸入信號送入控制單元。整個控制系統(tǒng)功能單元需要對電路的電流、電壓和功率以及光線進行數(shù)據(jù)采集分析，對電機進行控制保護等，所以系統(tǒng)包括光電傳感器、電流電壓傳感器、角度傳感器和限位器等。光電傳感器是利用感光特性較好的光敏電阻完成光照方位的跟蹤定位，電流電壓傳感器可以實時檢測光伏電池陣列的輸出電流值和輸出電壓值并能換算出光伏電池輸出功率值。角度傳感器由兩個傳感元件組成，可以檢測光伏電池陣列的高度角和方位角。根據(jù)以上分析，該系統(tǒng)包括光跟蹤單元和最大功率點跟蹤單元MPPT兩個部分，太陽能跟蹤控制系統(tǒng)與其數(shù)據(jù)分析傳輸功能由嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)。

3.2 跟蹤控制方案的設(shè)計

基于功能需要，光伏發(fā)電系統(tǒng)控制設(shè)計可分為光伏電池跟蹤控制和輸出功率跟蹤控制兩個模塊。

圖2 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

本系統(tǒng)設(shè)計思路主要是利用光跟蹤模式，根據(jù)光線傳感器采集的光照射高度角和方位角等信息，利用嵌入式處理系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析，輸出驅(qū)動信號，控制電機工作帶動光伏陣列轉(zhuǎn)動，使太陽光直射光伏電池。

方案設(shè)計是在這兩種模式上的結(jié)合。系統(tǒng)在通電后，先讀取實時時鐘，判斷系統(tǒng)是否為跟蹤啟動時間和跟蹤停止時間，如果此時是啟動時間則啟動定時器定時采樣光傳感器的光電信號偏差值，采樣偏差值在不斷變化則反應(yīng)了太陽光的運動，這類似于一種模糊控制方式，通過光信號偏差值來反應(yīng)陽光方位情況，選擇控制模式，完成太陽光跟蹤。在晴好的天氣是采用光電跟蹤模式，對于陰雨天氣或者云遮日情況下則采用太陽運行軌道光跟蹤模式，根據(jù)天氣的情況變化采用著不同的模式。當跟蹤系統(tǒng)停止時間到來時，系統(tǒng)控制跟蹤裝置返回初始狀態(tài)位置，系統(tǒng)進入休眠節(jié)能模式，等待次日的啟動時間的到來，當啟動時間到來時，進行新的一次系統(tǒng)循環(huán)。本光跟蹤方式綜合這兩種控制模式的優(yōu)點，克服兩種控制模式的缺點，在兩種跟蹤方式互相補充下，使系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定，提高了系統(tǒng)跟蹤的精度，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

本系統(tǒng)最大功率跟蹤控制方法設(shè)計一種改進傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法，是一種自適應(yīng)變步長電導(dǎo)增量方法，解決了傳統(tǒng)的電導(dǎo)增量法中跟蹤速度和跟蹤精度之間的矛盾。自適應(yīng)策略是在工作點遠離最大功率點時，采用另一種策略爭取在最少的執(zhí)行時間內(nèi)把工作點調(diào)到最大輸出功率點附近，此算法使得從變化后功率到最大功率的調(diào)整步數(shù)大大減少，從而提高了跟蹤速度。

3.3 嵌入式操作系統(tǒng)的選擇

本系統(tǒng)設(shè)計根據(jù)最大功率跟蹤控制的特點，要求實時跟蹤最大功率點，因此整個系統(tǒng)對實時性能要求比較高，第二代微型控制系統(tǒng)(Miero Control Operation System Two)作為實時性能好的微內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)完全可以滿足本系統(tǒng)的要求。MCOS II是一個可以基于ROM運行的、可裁減的、搶占式的實時多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合用于微處理器和控制器，很多的商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當于實時操作系統(tǒng)(RTOS)。

圖3 太陽能跟蹤控制系統(tǒng)

4 結(jié)束語

本文研究的太陽能跟蹤控制系統(tǒng)屬于一個單體小系統(tǒng)，利用高度集成的嵌入式處理器結(jié)合傳統(tǒng)光伏控制器控制光伏電池陣列隨光照強度和光照角度(高度角和方位角)進行最大功率點跟蹤，實現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤功能。