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摘要：随着经济社会的不断发展，人们对能源的需求量日益增多。由于地球存储能源可视为有限状态，因此需尽量利用自然能源，降低对天然气、煤炭等不可再生能源的使用量。太阳能光伏发电利用了太阳光线所产生的热能与光能，是目前最重要的新型能源之一。自动跟踪控制系统的运用可显著提升光伏发电控制有效性，改进太阳能接收效率。本文主要对太阳能光伏发电自动跟踪控制系统的设计进行分析。
关键词：太阳能光伏发电；自动跟踪控制系统设计；单双轴，固定式
引言
随着传统化石能源枯竭，可再生能源的利用和开发受到了重视，太阳能以储量巨大、安全清洁等优势已成为未来主要能源之一。目前，太阳能发电方式主要有热发电和光伏发电，因为光伏发电规模不限、建设时间短、维护简单，所以太阳能光伏发电作为太阳能利用的重要方式，具有巨大的发展潜力。但太阳能光伏发电存在着一个瓶颈就是发电效率偏低，这大大限制了太阳能发电的应用和发展。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可行且重要的途径是对太阳进行自动跟踪。本文概述了现有的太阳能光伏发电跟踪控制系统的分类、跟踪控制方式和特点，以太阳能光伏发电系统中跟踪装置作为研究对象，为了提高太阳能光伏板的跟踪效率，提出了前馈加闭环的跟踪控制方案。
一、太阳能光伏发电自动跟踪控制系统简介及分类
太阳能光伏发电自动跟踪系统的目的就是使太阳能光伏板保持随时正对太阳，以提高太阳能光伏组件的发电效率。由于地球的公转和自转，太阳光的入射角度随时随刻都在变化．对于固定地点的太阳能发电系统．只有保证太阳光时刻垂直照射太阳能光伏板，发电效率才会达到高。因而保持太阳能光伏板能与太阳光垂直最大化地接收太阳辐射能就显得十分重要。目前最典型的三种跟踪系统分别是单轴跟踪系统、双轴跟踪系统和固定式跟踪系统。和固定式跟踪系统相比．单轴跟踪系统和双轴跟踪系统的日用功率和年输出功率高．但从系统结构和成本上来说．单轴跟踪系统结构简单、成本较低。太阳能光伏发电自动跟踪系统的分类：
（1）固定式跟踪系统：直接将太阳能光伏电池组件朝向低纬度地区放置称为固定安装系统。它采用串并联的方式组成太阳能光伏阵列来收集太阳能。固定安装系统均为固定放置．并不能时时太阳光的垂直照射．因此固定安装系统的光伏组件并不能完全发挥其潜力。
（2）单轴跟踪系统：单轴跟踪系统包括倾斜度角斜单轴跟踪和水平单轴跟踪．单轴跟踪系统只能从一个方向（方位角或者高度角）跟踪太阳的运动，因为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只能减小接收光照的入射角．因此跟踪效果较差。
（3）双轴跟踪系统：双轴跟踪分为高度角、方位角式跟踪和极轴式跟踪。双轴跟踪系统是指光伏阵列绕两个旋转轴转动，第一个旋转轴和水平面垂直．第二个旋转轴和水平面平行。这种跟踪方法可以实现水平方位角与垂直高度角上同时跟踪。在理论上双轴跟踪系统可以完全跟踪太阳的运行可以实现阳光的入射角为零，所以跟踪精度相对较高。
二、光伏发电系统的自动跟踪控制方式
（1）闭环控制。在闭环状态下利用反馈尽可能减小误差。使用感光元件测算太阳能光伏板与太阳光线的偏差，继而检验偏差是否接近或已经超过临界点，从而指导步进电动机通过转动降低偏差值，直到光伏板法线平行于太阳光线，达到能源的最大化吸收。
（2）开环控制。开环控制可采用程序跟踪以及时钟跟踪两种操作。前者需根据气象、地理位置（经纬度）计算太阳在不同时刻的位置，从而达到追踪控制效果。换言之，程序跟踪为直接计算时刻来控制装置所处角度，通过对电动机的驱动跟踪太阳方位角与高度角。而时钟跟踪利用了转速稳定性，通过预定转速跟踪太阳时角，因此也被叫做时角跟踪。
（3）混合控制。混合控制模式综合了闭环与开环两种模式的操作，可根据天气自动选择适合的控制操作。例如当天气晴好时，可通过光传感器调节角度达到跟踪效果；当太阳光线被遮住后可转换为开环控制，利用程序跟踪或时钟跟踪继续工作；待太阳光线重新照射后再转换为光传感器。在这种自动转换、综合控制模式下，闭环控制中跟踪器实时响应的滞后性以及开环控制中产生的积累误差均可有效规避。
三、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。
3.1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。
图1系统的工作原理图
3.2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。
图2光感跟踪的运行原理图图3系统的工作原理图
3.3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；在多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。
图4主程序流程图
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。
四、结束语
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。
参考文献：
[1]基于DSP的太阳能双轴跟踪控制系统的设计[J].张国新，杨勇.机电产品开发与创新.2015（03）
[2]一种新型太阳能跟踪控制器的设计[J].余蓓敏.通化师范学院学报.2015（04）
[3]双轴液压式全景太阳能自动跟踪系统设计[J].刘松，黄钱飞，李仁浩，杨帆，刘佳川，李小兵.机床与液压.2015（11）
[4]全天候太阳方位跟踪控制系统的设计[J].左云波，徐小力，白廷柱，乔道鄂.可再生能源.2011（01）
[5]定时跟踪太阳时角提高光伏发电效率[J].樊国梁，张晓燕.内蒙古大学学报（自然科学版）.2010（01）
[6]光伏发电跟踪控制系统设计[J].吴小雨，王开宝.机械工程师.2009（01）