自动跟踪式光伏发电计算机监控系统的设计

刘 娇，曹晓丽，刘 扬

(1.石家庄信息工程职业学院，河北石家庄050035；2.石家庄工程职业学院，河北石家庄050000)

目前，在世界能源结构中，人类主要利用的是煤炭、石油、天然气等化石能源。然而由于这些能源的大量开发，已经濒临枯竭，同时这些能源的使用给人类生存环境带来了诸多不利的影响，因此人类大力开发新能源。在所有的新能源当中，太阳能是最为引人注目的一种。而太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，发展前景非常广阔，成为未来解决能源危机的重要途径。但太阳能光伏发电存在的一个瓶颈问题就是发电效率低，大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。目前，在太阳能利用领域中，如何最大限度地提高光伏发电效率，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题的一种重要可行的途径是进行太阳自动跟踪。目前，我国大多数太阳能阵列的安装方式都采用固定式，这种方式安装简单、维护方便，但是不利于太阳能的收集过程，太阳能的利用率较低。为了改变这一现状，利用跟踪式的太阳能收集系统势在必行。据相关科研机构调查研究，采用自动跟踪式的太阳能系统比固定式的太阳能系统效率高35%左右。因此研究太阳能的自动跟踪式发电系统具有重要意义[1]。

1 自动跟踪式太阳能发电系统原理

当太阳光线以不同的入射角投射到同一面积上时，所能收集到的能量有所不同。假设截面为1 m2的太阳光束以不同的入射角投射到平面上，如果光线垂直投射，入射角θ=0，包含在太阳光线里的能量分布在1 m2的面积上；如果入射角0<θ<90°，同样多的能量分布在1/cosθm2的面积上；当能量一定时，单位面积上的能量与面积成正比，所以以θ角入射时单位面积上的能量，只有垂直入射能量的cosθ倍。当光线以85°角入射时，单位面积上的能量大约只有垂直投射时的1/12[2]。由此可见，太阳光入射角不同，收集能量的效率相差很大，只有在与接收面保持垂直投射时效率才最高。因为太阳在天空中的方位是不断变化的，所以固定式太阳阵列在一天当中，只有一个时刻可以保证垂直入射，其它时间都是存在着太阳辐射能量浪费的情况。

2 系统整体结构

通常，太阳跟踪可以采用两种方式，一种是连续跟踪，另一种是间歇跟踪。连续跟踪方法为跟踪角连续按照太阳的位置变化规律随时间调节，以跟随太阳运行轨迹变化的控制方法。这种方法精确度高，但是电机的不停运动，将消耗大量的电能，同时，机械转轴磨损严重。因此，连续跟踪方法并不适合用在太阳能发电系统。间歇跟踪方法为每隔一段时间，运动轴根据所检测的太阳的方位角和高度角调整一次跟踪角，其余时间跟踪角驱动机构固定不动而形成的跟踪方法[3]。间歇跟踪方法一方面可以简化系统控制结构，避免庞大的减速系统；另一方面还可以减少步进电机的运行次数，增加电机的运行寿命，降低跟踪运动系统本身的能耗。所以本文采取间歇跟踪方式构建跟踪系统。

光伏阵列运动控制系统主要由五大部分构成：完成跟踪功能的机械设备、步进电机、步进电机驱动程序、太阳轨迹跟踪程序、计算机监控中心。自动跟踪式光伏发电系统整体流程如图1所示。其中，以计算机为控制核心，接收利用光电检测模块输出的太阳方位角信号，并结合太阳运动轨迹跟踪模块计算出太阳高度角和方位角的理论值，控制双轴跟踪装置中两个步进电机的转动，进而实现对太阳的跟踪。

图1 光伏发电系统自动跟踪装置框图

太阳方位及光强检测传感器放置在太阳电池板上，太阳电池板安装在转动架上，传感器与太阳能面板保持平行，作为光电跟踪系统的前端检测部分，主要检测太阳在天空中的方位以及当前环境中光线的强弱，得出相应的数据，数据送入计算机监控中心，监控中心根据检测结果进行天气判断和光电跟踪。太阳电池板的下方设置两个步进电机和相应的减速传动机构作为跟踪系统的执行机构，监控中心的监控程序将程序的计算结果传给控制部分，这时控制部分就可以带动太阳电池板做水平旋转和俯仰运动，以实现对太阳的跟踪。

3 系统软件

本系统软件部分的主要功能是利用计算机的计算能力来完成太阳自动跟踪的数据处理部分。整个系统主要包括数据采集程序、太阳自动跟踪主程序、太阳运动轨迹跟踪程序、光电跟踪程序。

软件的第一部分是数据采集部分，主要完成的功能是将太阳方位检测电路的输出电压信号和光强检测电路的输出电压信号经A/D采集通道输入到计算机中。计算机采用相应的数据库系统来对数据进行存储，然后对这些数据作进一步的处理和分析。

图2 太阳自动跟踪主程序框图

软件的第二部分是太阳自动跟踪主程序。程序框图如图2所示。首先获取系统当前日期、时间信息，以及系统所在地的经度和纬度值，计算出当天的日出和日落时间，根据日落时间来判断是否满足条件，然后打开太阳运动轨迹跟踪程序，让跟踪机构处于基准位置，当跟踪机构转自起始位置后，系统进入循环。循环过程中，计算机对采样到的光强检测信号进行分析处理，并判断出当天的天气情况，分为晴天、多云和阴雨三种情况，通过对太阳运动轨迹跟踪程序和光电检测跟踪程序的不同调用，分别采取三种不同的工作模式进行太阳方位跟踪。阴雨天气时，直接跳过跟踪子程序，不进行跟踪，直到天气好转后再继续跟踪。

一次跟踪后，程序要延迟等待一段时间，在进行下一次跟踪。在下一次跟踪前，要判断当前时间是否在日落之前，如果是，则继续跟踪循环；反之，跳出跟踪循环，并驱动装置返回基准位置，跟踪系统停止工作。

软件的第三部分是太阳运动轨迹跟踪程序。该部分是整个程序的核心，需要根据太阳运动方式编写出相应的轨迹跟踪算法，从而完成太阳运动轨迹跟踪的功能。编写算法的主要思路为：首先根据数据采集部分收集到的时间、日期、当地的经度、纬度、天气等信息来计算当前时刻太阳高度角和方位角的理论值，并且根据这一数据，与上一次跟踪时间间隔求出与上一次跟踪时的太阳高度角和方位角的变化值，用这个变化值以及步进电机的电气特性推算出高度角电机和方位角电机需要转动的脉冲数。然后，根据数据采集系统传送来的数据来判断跟踪机构是否处于基准位置，并依据判断结果来进行太阳运动轨迹跟踪方式的确定，进而带动相应电机进行正确运转。

软件的第四部分是光电跟踪程序。主要的功能是确定在下一个时间间隔是否需要进行太阳轨迹跟踪变动。程序中设置两个表示太阳方位角和高度角的阈值，并根据采样到的太阳方位检测电路的输出信号，计算出太阳在方位角和高度角方向上偏移量。然后，分别将偏移量的绝对值与阈值进行比较，若均小于阈值，说明太阳运动轨迹跟踪的积累误差比较小，不需要进一步的跟踪，结束子程序；反之，说明需要根据偏移量来控制相应的电机向对应的方向旋转一定角度，进行太阳阵列方位角及高度角的调整。

系统的软件部分采用Visusl C++作为开发工具，SQL Server2005作为数据库支撑系统，并采用相应的实验硬件，如模拟跟踪装置、PC机、数据采集卡、太阳电池板、太阳方位检测电路、光强检测电路等对软件部分进行调试和验证。实验结果表明，该算法能够实现太阳轨迹的跟踪预测，与实际产生值相对比，误差较小。如果排除了机械特性误差之外，跟踪效果比较理想。

4 结语

本文通过分析天气的具体情况，采用一种全新的光电跟踪方式来实现太阳电池板的自动跟踪模式。这种跟踪方式是一种全天候的太阳自动跟踪方法。实验证明，该方法误差较小，以该方法设计完成的自动跟踪式独立太阳能发电系统能够基本满足系统提出的技术指标，可以实现对太阳的自动跟踪，能够保证用电负载连续稳定地工作。

[1]彭春明．基于嵌入式的光伏发电自动跟踪控制系统设计[D]．南京：南京理工大学，2012：17-20.

[2]靳志会．太阳能光伏发电系统设计及运行分析[D]．河北：河北工业大学，2011：30-35.

[3]徐静．自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统研究[D]．杭州：杭州电子科技大学，2009：60-65.