新型低能耗太阳能方位检测与跟踪技术
摘要：在太阳能光伏发电技术上采用跟踪技术可以提高太阳辐射能量的采集率，从而有效降低整个发电系统的成本。但是在跟踪控制技术上，开环和闭环一直是人们争论的问题。我通过分析全国日照时数表得出开环系统在太阳能光伏发电应用中效率不高而并不适合被采用。为提高跟踪效率，我采用闭环控制系统，设计一套新颖低能耗的太阳能任意方位检测方案并提出分级跟踪原理。根据这个原理设计出一套自动跟踪系统，运行结果表明该系统能实现太阳任意方位检测并迅速跟踪，有效降低系统运行功耗，减少机械结构损耗，精度可调，对进一步有效利用太阳能光伏发电和新型设备的研制有一定的探讨意义。
关键词：光伏发电 闭环控制 任意方位检测 分级跟踪
引言：在太阳能光伏发电技术上采用跟踪技术可以提高太阳辐射能量的采集率，从而有效降低整个发电系统的成本。在控制方案上主要有开环，闭环和混合控制，目前各种方案国内外都有相应的应用系统设计支持并且都较成熟。其中固然开环系统有结构简单、易于实现、不受天气影响等优点，但是我们从全国日照分布时数表上可以看出，全国平均日照时数并不是很高，可跟踪利用效率总体偏低，那么用开环系统将做大量有消耗的无用跟踪。这既增大了系统运行功耗又加大了机械损耗。在检测方案上，目前大多数方案的检测视角太小，难以适应太阳出现的随机性。太阳光强在一天中变化较大，光强较强时跟踪精度需要高点；光强较弱但还能发电时跟踪精度高又没太大意义；采用统一的跟踪精度并不合适。进一步有效利用太阳能，减小系统功耗，增强装置的可靠性、耐用性，降低成本仍是今后研究的关键。
1控制系统选择
在太阳能利用中常见的跟踪装置的控制系统,按照控制系统对控制量(电机转速,转角等)进行控制时,被控制量(跟踪装置的位置,转角)对控制量产不产生影响,即是否存在着反馈，可以把控制系统划分为三类：闭环、开环、混合控制方式,若存在反馈的称为闭环控制,若不存在反馈的称为开环控制,混合控制顾名思义就是开环和闭环控制方式的结合。
1.1开环系统
开环控制就是确定一个初始位置,根据某时刻太阳相对位置的差值,计算出电机转过该差值所需的脉冲数。又分为时钟跟踪和程序跟踪方式。这种方法虽然控制简单，易于实现，但存在当电机失步和堵转时，跟踪就不准确。并且当连续阴雨天时，不仅不能发电，同时系统连续运行还会消耗大量的功率。下表是我国太阳能分布情况。全年日照时数:365*12h(白天)=4380h.
日照时数每平方米一年接受
太阳能总辐射量相当于标准煤可利用效率
X/4380*100%
一类地区2800~3300h(670~837) kJ225~285kg63.9~75.3%
二类地区3000~3200h(586~670) kJ200~225kg68.5~73.1%
三类地区2200~3000h(502~586) kJ170~200kg50.2~68.5%
四类地区1400~2200h(419~502) kJ140~170kg32.0~50.2%
五类地区1000~1400h(335~419) kJ115~140kg22.8~32.0%
由以上我国全年日照时数表可以看出，在全国范围内，日照时数分布在1000~ 3300h，在满负荷利用下其综合跟踪利用效率(日照时数/全年日照时数)为22.8%~75.3%。对于大部分地区而言，跟踪效率在60%上下。如果采用开环跟踪系统，那么在将近40%左右的时间里(比如阴雨天或者多云等不能发电的天气)电机是在做有消耗的无用功，而且还有机械磨损等。短期这点损失不大，但是常年这样其累积损失我们就不得不考虑了。开环控制原理图如下：
1.2闭环系统
闭环控制方式就是使用一个传感器来测定入射太阳光线和系统光轴间的偏差，当偏差超过一个阀值时，通过电机驱动机械部分转动，减小偏差直到使太阳光线与系统光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。其控制原理如下图所示。
常用的传感器有光电池、光敏电阻、光电管等。闭环控制能够克服开环的缺陷，但需要位置检测信号。在本系统设计中，考虑到微型光电池跟光敏电阻、光电管相比, 灵敏度高，线性度好，不易饱和，温度对其输出影响要小，所以采用光电池作为方位和光强检测元件。采用闭环系统后，在阴雨天和多云等不满足发电的天气里，由于光强达不到检测元件设定好的阀值，从而检测元件没有信号，处理器就不会驱动电机转动。在检测到光强满足要求后，再由一系列微型光电池的特殊结构来跟踪太阳，从而实现方位的跟踪。
2：设计原理
2.1任意方位检测
由于微型光电池的短路电流在很大范围内与光照度成线性关系，因此检测连续变化的光照度时，应当尽量减小负载电阻，使光电池在接近短路的状态工作，也就是把光电池作为电流源来使用。在光信号断续变化的场合，也可以把光电池作为电压源使用。其优点为调节较为精确,电路也比较简单。结构上，采用N路微型光电池均匀分布在一个半圆弧上，当太阳正对某一个微型光电池时，此时它的输出最大,系统就能判断此时太阳的位置而进行跟踪。当太阳转到两个微型光电池中间时，此时由于这两路光电池输出相等，也能判断太阳的方位而进行跟踪。
由于每2个微型光电池之间就有一个中间位置,所以共有N-1个这样的位置,这样N路微型光电池共能判别2N-1个太阳方位.假设我们需要的跟踪范围是150度,那么可识别的精度则为150/(2N-1)度, 我们可以通过选择N的值来方便调整需要的精度。这样太阳任何时间出现在圆弧的任意位置上，只要在可检测的那2N-1个方位上，电池板便可以迅速跟踪。 处理器检测到跟踪信号后驱动电机正反转,无需在每晚回到初始位置等候太阳，避免每天开始阴天时系统多做无用的跟踪，而是随时根据那N路微型光电池检测太阳的方位，从而将系统运行功耗降到最低。
2.2分级跟踪
考虑到开环跟踪系统在多云和阴雨天还进行跟踪会加大系统运行功耗，综合跟踪利用效率不高，故我们采用闭环控制，同时采用分级跟踪。当光照强度达到上限值时，实行密跟踪。当光照强度达到下限值时，停止跟踪。而在中间状态时实行疏跟踪。这样不仅充分利用太阳光光照强度大时的获得更多的能源。在光照强度一般但还可以发电时，放慢跟踪幅度，这样可以有效降低系统运行功耗而对输出功率没太大影响。当光照强度达到下限值时，停止跟踪，这样就避免无效的跟踪从而降低系统运行功耗，而当光照强度满足要求时再迅速检测方位并跟踪。
2.3.电路原理与电路实现
控制系统框架图如下图所示。该系统以TI公司的TMS320LF2407型DSP作为核心处理器，实现对太阳的自动跟踪、系统保护、显示、信号检测与监控等功能。启动信号由5路微型光电池组成。考虑到系统对他们差值敏感，所以我采用一个5通道的模拟开关在DSP的控制下分别传送这5路信号，都分时通过一路放大和调理电路，原因是考虑到做5路放大与调理电路难以保证一致性，比如放大倍数，(在本设计中，5路光电池信号大小相差很大)温漂,调零等。最后将这5路信号送到dsp中进行比较处理，作出相应的光强和方位的判断并决定是否驱动电机和正反转。还有电池板的温度、输出电压、电流和环境温度的检测，并将这些信息都在LCD上显示出来。
参考文献:
1.王长贵等 中国能源的开发和利用 能源出版社 1986
