光伏发电中跟踪操作机制的探究范文

太阳能光伏跟踪系统的分类

1)固定式跟踪系统:固定安装系统直接将太阳能伏电池组件朝向低纬度地区放置(与地面成一定角度)，以串并联的方式组成太阳能光伏阵列从而达到收集太阳能的目的。固定安装系统的组件阵列均为固定放置，并不能实时保证太阳光垂直入射到光伏组件上，所以固定的平板电池组件并未完全发挥其潜力。

2)单轴跟踪系统:单轴跟踪包括水平单轴跟踪和倾斜度角斜单轴跟踪，单轴跟踪只能在一个方向(高度角或者方位角)跟踪太阳的运动轨迹，光伏阵列只能围绕一个旋转轴旋转。一般情况下，单轴跟踪系统的入射角只能减小而不能实现为零，显然跟踪效果较差。

3)双轴跟踪系统:双轴跟踪主要分为极轴式跟踪和高度角、方位角式跟踪。本文中所提到的双轴跟踪是指高度角、方位角式跟踪。光伏阵列绕两个旋转轴转动，第一个旋转轴与水平面垂直，第二个旋转轴与水平面平行。此跟踪方法实现水平方位角和垂直高度角上同时跟踪。双轴跟踪系统在理论上可完全跟踪太阳的运行轨迹以实现入射角为零，所以跟踪精度较高。而在一般情况下，采用单轴跟踪更为经济。

光伏发电系统的跟踪控制方式和特点

在光伏跟踪系统中，常用跟踪装置的控制系统，按照控制量和被控制量之间是否存在着反馈，可以划分为三类:闭环、开环、混合控制方式，若被控制量对控制量产生影响的，即存在反馈的称为闭环控制，若被控制量对控制量不产生影响，即不存在反馈的称为开环控制，混和控制就是采用开环和闭环相结合的方式。本文采用的前馈加闭环控制的跟踪方式，也属于混合控制，第一级采用开环控制方式，第二级采用闭环控制方式。

1)开环控制方式，又分为时钟跟踪和程序跟踪方式。其中时钟跟踪方式也可以称为时角跟踪，是以一个预定的转速旋转跟踪，这种跟踪可以看作对太阳的时角进行跟踪。程序跟踪方式是根据当地经纬度、气象等信息计算每天不同时刻下太阳的位置，根据光伏跟踪装置的几何位置，计算出当前时刻下，跟踪装置随着太阳运动需要转动的角度，最后命令驱动机构驱动电动机转动实现对太阳高度角和方位角的跟踪。

2)闭环控制方式，主要通过反馈来消除误差。采用感光元件测定入射太阳光线和太阳能光伏板法线之间的偏差，通过判断偏差是否超过一个阈值来控制步进电动机转动，减小偏差，直到太阳光线与光伏板法线重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。

3)混合控制方式，结合了前两者的优点且克服了前两者的缺点。在晴天的时候采用使用光传感器跟踪，但当乌云遮住太阳的时候，控制系统采用开环控制方式，继续跟踪，直到乌云过去后，再重新使用光传感器跟踪。交替使用闭环和开环的混合控制系统，能够得到最佳的控制效果。这个控制方案减小了开环控制引起的累积误差，也消除了闭环控制因跟踪器的动态响应所引起的不稳定。

太阳能自动跟踪控制系统的设计

目前，太阳能自动跟踪系统的方法有很多，主要分为两大类，主动式控制器和被动式控制器。其中主动控制器包括控放式和时钟式;被动控制器包括压差式和比较控制式。通过研究表明这些太阳跟踪系统都存在着不少缺点，其中成本相对较低、精度相对较高的光敏电阻比较式太阳跟踪器的控制方式比较好。

1前馈加闭环的跟踪控制方案

本文采用前馈加闭环控制的跟踪方案，将太阳轨迹的计算结合到了太阳能光伏板的跟踪系统中。首先从理论上，通过太阳轨迹的计算对太阳能光伏板进行粗调，其次从实际出发，考虑到光伏板跟踪装置在安装、生产和加工过程中存在误差，进一步使用光电跟踪对其进行细调。此方案不仅提高了太阳能光伏板的跟踪精度，也避免单独使用光电跟踪方式的大范围搜索，实现了对光伏板的智能控制。当太阳能光伏板的法线与太阳辐射能平行的时候，理论值为零，则保持光伏板当前的状态，不需要转动;当太阳能光伏板与太阳辐射能有夹角时，利用太阳轨迹的计算得到光伏板需要转动的角度，控制电动机从而转动光伏板。具体跟踪控制方案如下图1所示。

2光电传感器的布置

首先，光电传感器安放在太阳能光伏板上，由4个光敏电阻及1个圆筒外壳组成。对于圆筒外壳，其高度设计为圆筒高度的一半。在光电传感器的东西南北四个方向对称安装着4个相同的光敏电阻A，B，C，D，四个光敏电阻的参数一致。其中光敏电阻A与光敏电阻C用来检测太阳南北方向的偏转角度，即高度角;光敏电阻B和光敏电阻D用来检测太阳东西方向运动的偏转角度，即方位角。光电传感器的工作原理:采用光元件作为转换元件，将被测非电量通过光电量的变化转化成电量。对于高度角而言，当太阳光与太阳光伏板相垂直时，光敏电阻A和光敏电阻C之间没有差值信号输出，光照度相同，运算放大器输出为零。当不垂直时，光敏电阻A和光敏电阻C产生的光电流不一样，运算放大器输出差值信号，将该差值信号送入控制单元，控制电动机的转动从而调整太阳能光伏板，直到与太阳光垂直为止。当南北光敏电阻的差值小于固定值时垂直电动机停止转动。方位角的跟踪原理和高度角的跟踪原理类似。具体的运行原理如图2所示。

3光电跟踪系统的工作原理

太阳能光电跟踪系统是通过对分布在太阳能光伏板上的两组传感器所产生的电流值与固定值进行对比，将比较的差值送入嵌入式微处理器分析和计算，利用其输出信号对步进电动机进行控制，使得太阳能光伏板能够接收更多的太阳辐射能，实现对太阳辐射能的充分吸收和利用。整个方案的原理如图3所示。首先，采用光电传感器对接收到的太阳辐射能实现光信号和电信号之间的转换，其次，经过运算放大器对太阳光垂直或者偏离照射到光电传感器时所产生的偏差信号进行放大，采用A/D转换将模拟信号变成数字信号，送入ARM芯片，判断方位角和高度角的变化，通过步进电动机的正、反脉冲来控制其转向。

为了确定步进电动机的正确转向，需将比较的偏差信号经D/A转换后的值与0对比，当等于0时，则说明此时ARM芯片不发出控制信号，步进电动机不转，保持太阳能光伏板的角度;当大于或者小于0时，则说明此时ARM需要进一步判断是方向角还是高度角出现的偏差，从而才能发出是方向角驱动控制信号还是高度角驱动控制信号，驱动芯片工作，控制步进电动机转动，以消除角度偏差，重新使太阳光线与太阳光伏板垂直，实现实时跟踪的目的。为了节电，当程序查询出光强达到一定值时系统才开始跟踪，低于另一个值时即停止跟踪，消除了振荡现象;在云或阴雨天要控制电动机间歇工作，而在夜间则自动关闭电源，达到节电的目的。光电跟踪系统软件设计的主程序图如图4所示。主程序主要完成各种初始化的设置，利用不同的传感器得出天气的状况，例如，风大还是风小，是晴天还是阴天，天亮还是天黑等结论。

采用风速传感器的作用是当风力到达一定的强度的时候，通过控制器驱使电动机转动，使得太阳能光伏板达到水平位置，此时该阵列的受力达到最小。当得出在晴天时，采用光感跟踪方式;当得出在其他状况时，如风大或者天黑时，光伏板将不动作，控制系统停止工作。设定系统的信号采集时间间隔为半个小时，通过调用延时子程序来实现，根据需要进行调整，保证收集效率。设定采样时间的目的是延长机械装置的寿命，另外，在一定时间内，如果装置的能耗多于采用了光电跟踪控制后所提高的那部分能耗，那么采用此控制方式就显得没有实际意义。

结语

太阳的跟踪方法很多，需要根据实际情况来选择跟踪方式。本文主要设计了前馈加闭环控制的跟踪方式，综合考虑了光电传感器和机械方面的知识，设计了太阳能自动跟踪系统，该系统主要有以下几个创新点:

1)本设计将太阳轨迹的计算结合到了光伏跟踪系统中，实现了对光伏板的智能控制。通过前馈加闭环控制的跟踪方案，不仅消除了安装过程中存在的误差，也克服了单独采用光电跟踪方式在大范围内的搜索，有效地提高了光伏跟踪的精度。

2)本设计克服了固定安装方式和单轴跟踪方式的缺点，采用了双轴自动跟踪系统，克服了不能随时保持太阳光线与光伏板垂直的缺点。双轴自动跟踪系统不仅可以调整光伏板的高度角而且可以调整光伏板的方位角。跟踪精度明显相比固定安装方式和单轴跟踪方式要高，充分地利用了太阳能。

3)本设计采用了步进电动机控制，将电脉冲信号转变成角位移，使得系统能够更准确、高效地调整太阳能光伏板的高度角和方位角，累积误差小，跟踪精度高。

作者：丁婷婷祝雪妹单位：南京师范大学电气与自动化工程学院