太阳能跟踪系统设计.docx

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太阳能跟踪系统设计

摘要

太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。

但由于光伏电池的输出特性与外界环境因素的变化有很大关系，目前大规模量产的光伏电池光电转换效率仍然不高且价格昂贵。

光伏发电自动跟踪装置是提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。

研究精确的太阳跟踪装置，可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量，增加发电量。

本文实现了用廉价的光敏元件和单片机电路进行太阳跟踪的功能。

分析了太阳运行规律，在对比目前常用跟踪方法的基础上，改进了以往的跟踪方式。

提出将光电跟踪作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为特殊天气情况下补充跟踪方式的方案。

通过两种跟踪方式互补，一方面可以充分发挥光电跟踪准确性高的优势，另一方面在阴天等天气条件下仍能实现跟踪。

此外，为了确保跟踪的结果准确，在方位角和高度角调整之后，增加了一组传感器电路进行跟踪结果的验证。

通过对控制系统所实现的功能分析，论文完成了跟踪系统的硬件和软件设计。

主要内容包括：

单片机接口电路设计、光强检测电路设计、控制执行部件设计以及光电跟踪和视日运动轨迹跟踪模块的软件设计。

完成了跟踪系统试验装置的制作。

本文所设计的光伏发电自动跟踪系统结构简单，成本低廉，运行稳定，可广泛应用于并网和离网光伏发电系统。

关键词光伏发电，单片机，光强检测，自动跟踪

Abstract

ThesolarenergyhasailenormousdevelopingapplicationcapacityasonekindofgreenrenewableenergysourcewhichCallbecontinuouslyusedforever．Butthereistremendousrelationshipbetweenphotovoltalccellsoutputcharacteristiesandthechangeofexternalenvironmentalfactors，currentlytheefficiencyofPVcellsisnotonlylowbutalsoexpensiveonalargescaleofproduction．Thephotovoltaicautomaticallytrackingdevicecanraisethesolarenergyutilizationrateandbringdownthecostofthesolarelectricalenergygeneration．Precisesolartrackingmechanismcanmakesolarpanelreceivemoreradiantenergyandincreasegeneratingcapacity．Thispapermakestorealizethefunctionofsuntracking．UseofcheapphotosensorsandMCUcircuit.

Analyzedthelawofthesun,comparedthecurrenttrackingmethods，andimprovedtheprevioustrackingmode．Proposedelectroopticaltrackingasthemajortrackingmodewhilethesuntrajectorytrackingmodeasadditionaltrackingmodeonunusualweatherconditions．Throughtwocomplementarytrackingmodes，ontheonehand，electro-opticaltrackingcangiveplaytotheadvantagesofhighaccuracy；ontheotherhand，thesystemcanstillachievetrackingoncloudyweatherconditions．Inaddition，Inordertoguaranteethatthetrackresultisaccurate．afterazimuthandelevationangleadjustment，increasedagroupofsensorelectriccircuittoCatTyonthetrackresultconfirmation．

Throughtheimplementationoffunctionalanalysisofcontrolsystem，thethesiscompletedhardwareandsoftwaredesignofthetrackingdevice．Include：

MCUinterfacecuitdesign，opticaldetectorcircuitdesign，controlandimplementationcomponentdesignandthesoftwaredesignofelectro—opticaltrackingandsalltrajectorytrackingmodule．Thetrackingsystemtestequipmentmanufactureiscompleted．Theexperimentalresultsshowedthat，thesystemcouldfullyrealizethetrackingofthesun．Finally,proposedimprovementprogramandnewmethodtotreatfastcloudaccordingtothetrackingeffectofthetrial．

Inthispaper,thedesignsofphotovoltaicautomatictrackingdevicehavesimplestructure，lowcostandstableoperation．Thedevicecailbewidelyappliedtogridandoff-gridPVpowersystem．

Keywordsphotovoltaic，MCU,lightintensitydetect,automatictracking

1引言

1.1光伏发电的特点

1.1.1光伏发电的优点

光伏发电技术（Photovoltaic）是将太阳能转化为电能的技术，其核心是可释放电子的半导体物质。

最常用的半导体材料是在地壳中储量丰富的硅。

太阳能光伏电池有两层半导体，一层为正极，一层为负极。

阳光照射在半导体上时，两极交界处产生电流。

阳光强度越大，电流就越强。

太阳能光伏系统不仅只在强烈阳光下运作，在阴天也能发电。

由于反射阳光，少云的天气甚至比晴天发电效果更好。

与传统的化石能源相比，光伏发电具有以下优点：

储量丰富。

燃料免费。

无污染。

低维护费用。

原料储量丰富。

安装方便。

适合高海拔地区。

1.1.2光伏发电存在的问题

虽然光伏发电有很多突出的优点，但同时也存在着一些有待考虑的问题：

1．光电转换效率不高

由于光伏电池的特点，在选取光伏电池原材料时必须考虑到材料的光导效应和光导效果，目前光电转换效率较高的单晶硅电池的转换效率在20％左右，同时由于对光电效率转换控制不当，真正的光电转换效率还会降低。

2．受气候影响大

如果在阳光不充足的多云或阴雨天气，随着光照强度的降低，光伏电池的转换效率会大幅度降低，因此，光伏系统不适合应用于阴雨天气较多的地区。

另外，由于空气中的尘埃会落到电池板上，长时间沉积会阻碍光线的照射，也会对转换效率造成影响。

3.光伏发电成本较高

晶体硅太阳电池主要原料是高纯硅，其纯度高达99．9999％，虽然硅是地壳中含量仅次于氧的元素，但是要从石英砂中提炼出高纯度的硅需要消耗大量的能量，成本较高，这就使得硅原料的价格一直居高不下，制约了光伏市场的快速发展。

另外，由于硅提纯技术被德国、日本、美国等国家垄断，目前我国生产晶体硅电池需要的原料大多依赖进口，导致生产成本进一步升高。

1．2光伏发电自动跟踪技术

技术进步是降低光伏发电成本，促进光伏产业和市场发展的重要因素。

几十年来围绕着降低成本的各种研究开发工作取得了辉煌成就，电池效率不断提高，单晶硅电池的试验室转换效率已经从20世纪50年代的6％提高到目前的24．7％，多晶硅电池的转换效率也达到了20．3％。

硅片厚度持续降低，产业化技术不断改进，30多年来，光伏电池硅片厚度从20世纪70年代的450-500微安降低到目前的180-280微安，降低了一半以上，大大的节省了硅材料。

除了采用新的工艺和材料对光伏电池本身进行改进之外，采用适当的控制方式对光伏系统进行控制，使其能够更高效的利用太阳能也是未来发展的一个重要趋势。

光伏发电自动跟踪技术就是利用控制方法对光伏发电系统进行控制，使光伏电池板始终对准太阳，以提升发电系统的效率。

未来的太阳跟踪装置应采用全自动跟踪。

全自动太阳跟踪装置采用地平坐标系和双轴跟踪原理，机构设计朝着高灵活性、多维、大范围跟踪角度方向发展，用有限的光伏电池板接收更多的太阳辐射能量，降低光伏发电的成本113,141。

控制采用光、机、电一体化技术，通过对太阳光强弱的检测，实现对太阳的全自动跟踪，可广泛应用于农业、电信、气象等领域。

跟踪装置由光敏探头检测太阳光强，通过跟踪控制器，采用模拟压差原理进行比较，发出命令，驱动机械部分转动。

位置开关使跟踪装置的跟踪准确度高，范围宽，有自动返回功能。

1.3本文主要完成的工作

因光伏电池的输出特性受外界因素影响较大，如何对光伏系统进行有效控制使其能够工作在最佳的状态，有效的利用太阳能，从而能够产生更多的电能，是一个非常重要的课题。

本文在掌握光伏电池特性的基础上，重点研究了光伏发电自动跟踪系统，采用了新的跟踪策略，可实现高准确性跟踪。

本文的研究内容主要有如下几点：

1．分析太阳运行规律。

对不同的跟踪策略进行比较和分析，提出了适合本系统的跟踪策略，并进行了机械结构的设计。

2．对光伏自动跟踪控制系统的硬件进行了总体设计，并对各个功能模块电路进行设计。

3．设计软件控制方案，结合系统硬件完成试验平台的搭建。

2太阳跟踪方法及策略

2.1太阳运动轨迹对太阳能发电的影响

为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。

用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。

这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。

2.1.1太阳赤纬角

地球绕太阳公转的轨道平面称黄道面，而地球的自转轴称极轴。

极轴与黄道面不是垂直相交，而是呈66.5°角，并且这个角度在公转中始终维持不变。

正是由于这一原因形成了每日中午时刻太阳高度的不同，以及随之而来的四季的变迁。

太阳高度的变化可以从图1中形象地看到。

图中日地中心的连线与赤道面间的夹角每天（实际上是每一瞬间）均处在变化之中，这个角度称为太阳赤纬角。

它在春分和秋分时刻等于零，而在夏至和冬至时刻有极值，分别为正负23.442°。

图2-1时角坐标系

由于太阳赤纬角在周年运动中任何时刻的具体值都是严格已知的，即：

ED=0.3723＋23.2567sinθ＋0.1149sin2θ－0.1712sin3θ－0.758cosθ＋0.3656cos2θ＋0.0201cos3θ

2.1.2计算太阳高度和太阳方位

太阳高度（h⊙）的计算公式为

sinh⊙=sinδsinφ＋cosδcosφcosτ

式中，δ就是太阳赤纬角，即式（5）中的Ed，φ为当地的地理纬度，τ为当时的太阳时角。

φ值不难获得，且一旦确定，不会改变。

δ值的计算可以从前述程序中得到。

唯一需要说明的是太阳时角τ的计算。

这里时S和分F的符号均加上了⊙下标，表示是真太阳时，为了从北京时求出真太阳时，需要两个步骤：

首先，将北京时换成地方时Sd：

Sd＝S+（地理经度-120）*4/60　

式中，120°是北京时的标准经度，乘4是将角度转化成时间，即每度相当于4分钟，除60是将分钟化成小时。

其次，进行时差订正，即

S⊙=Sd＋Et／60

这里应该指出的是，时角是以太阳正午时刻为0点的，顺时针方向（下午）为正，反之为负。

太阳方位角的计算式为

cosA=（sinh⊙sinφ－sinδ）／cosh⊙cosφ

由此可求出二个A值，第一个A值是午后的太阳方位，

当cosA≤0时　　90°≤A≤180°

当cosA≥0时　　0≤A≤90°

第2个A值为午前的太阳方位，取360°－A。

图2-2太阳角的定义

2.2太阳运动轨迹的跟踪方式

太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点太阳的位置，从而完成对日跟踪。

视日运动轨迹跟踪依靠计算太阳的准确位置然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪，根据跟踪装置的轴数，视日运动轨迹跟踪装置分为单轴和双轴两种。

2.2.1单轴跟踪

单轴跟踪装置一般釆用三种方式：

（1）倾斜布置东西跟踪；

（2）旋转轴南北水平布置，东西跟踪；（3）旋转轴东西水平布置，南北跟踪。

这三种方式都是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。

以第三种为例，阐述单轴跟踪原理，如图所示。

图2-3单轴跟踪系统

图2-3中单轴跟踪装置的转轴东西方向布置。

控制计算太阳角度的变化，控制转轴转动，使太阳能电池板作俯仰运动，以跟踪太阳。

釆用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与电池板相垂直，而在早上或下午太阳光线都是斜射。

采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。

2.2.2双轴跟踪

如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。

双轴跟踪通常可以分为两种方式：

极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。

（1）极轴式全跟踪

极轴式全跟踪是指聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。

另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。

反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤讳轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。

这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。

（2）高度角-方位角全跟踪

高度角-方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。

根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。

这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。

但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。

2.2.3视日运动轨迹跟踪与光电跟踪相结合

光电跟踪是国内外常用的跟踪方法，使用光敏管，将两个光敏管分别置于光伏电池阵列平面的两个点上，当太阳光线直射光伏阵列时，若光敏管将光信号转换成电信号后的数值偏差在规定范围内，即两个测试点光强信号的偏差很小，电机不转动。

但随着太阳的位置发生变化，光敏管检测到的电信号偏差逐渐增大而超出了规定范围，经放大电路将偏差信号放大，控制跟踪装置产生动作而重新使光伏阵列与太阳光线保持垂直，对准太阳，完成跟踪。

光电跟踪的优点是结构设计方便，跟踪准确度高。

但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误操作。

视日运动跟踪和光电跟踪都存在一定的局限性。

对于视日运动跟踪，主要是在开始运行之前需要精确定位，太阳角度计算时容易产生误差，且产生误差后不能自动进行调整等，因此需要定期人为调整跟踪装置。

而光电跟踪经常由于天气问题，出现不跟踪或错误跟踪的情况，特别在多云的天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运动，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。

如果将视日运动跟踪和光电跟踪相结合，互补其短，就可以得到比较满意的效果。

在光电跟踪的基础上，同时设置视日运动轨迹跟踪程序，当遇到乌云遮挡或阴天等天气状况时，由于光强太小，光敏管上产生的电信号会低于设定的阈值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪程序进行执行天气好转后自动跳出，继续进行光电跟踪。

为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。

用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。

这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。

因此，本文采用两种跟踪方式相结合的方法，同时将光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为补充，这样一方面可以发挥光电跟踪的优势，使跟踪更加准确；另一方面可以在阴天等特殊天气环境下继续跟踪太阳。

2.3控制系统总体设计

2.3.1控制系统所要实现的功能分析

太阳自动跟踪装置控制系统需要实现的功能就是通过发出控制信号对跟踪系统机械执行机构的角度进行精确控制，实现对太阳运行轨迹的跟踪。

并要求整个系统能够自动处理各种因天气状况引起的误判断，能够全天候的自动运行，结构简单可靠，由于系统对控制对象移动速度要求不高，只要求位置角度的精确控制，因此用步进电机作为控制部件。

若单独釆用视日运动跟踪方法，根据前面介绍的太阳跟踪方法和太阳运行轨迹的算法，可根据当地的纬度、时间、日期就计算出某一时刻的太阳高度角和方位角。

通过控制系统可完成对太阳高度角和方位角的跟踪。

但是利用太阳运行轨迹算法计算时，会有计算误差，并且机械执行机构在运行、安装时也会产生系统误差，因此如果单独采用视日运动轨迹跟踪方法并不能实现系统对太阳运行轨迹的精确跟踪。

若在系统运行中发生断电等异常情况后，再次工作时会产生跟踪混乱。

若单独采用光电跟踪，由于系统易受外界干扰也不能保证系统对太阳运行轨迹的精确跟踪。

我们提出的视日运动跟踪和光电跟踪相结合的工作方式，有效的弥补了单独釆用一种方法进行跟踪的缺陷。

本文采用光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日跟踪方式作为辅助方式的方法进行跟踪。

在光线较强时，采用光强检测电路检测光线偏差进行光电跟踪，若遇到乌云长时间遮挡等天气情况时，系统自动转为视日运动跟踪方式。

这样既提高了系统的跟踪准确度又提高了系统的可靠性，能够保证系统全自动准确的跟踪太阳运行轨迹。

系统具有自动复位的功能，在日落后能够自动控制机械执行机构回复到基准位置，并且停止转动，在第二天日出时刻自动从跟踪初始位置，进行新一天的跟踪。

2.3.2控制系统的工作过程

在一天中阳光充沛的时段里，系统采用光电跟踪方式，当太阳光照射到传感器上时，把光伏电池阵列和太阳位置偏差给出的传感信号，经过前置放大器、电压跟随器后保存到控制器中，由控制器按照预先设定的程序进行一定的处理后控制步进电机转动，使聚光器随着太阳移动而转动，从而达到跟踪的目的。

若遇到天气突变，程序自动转为视日跟踪。

这两种跟踪方式都进行方位角和高度角两个角度的精确调节。

2.3.3机械执行装置

赤道坐标系相对地平坐标系更为简单直接，可以精确地描述太阳的运行轨迹。

但赤道坐标系是以赤道平面、地球的极轴为基准，在实际应用中跟踪装置机械结构的设计和安装都很困难，因此在满足跟踪准确度的前提下采用地平坐标系，由当地的纬度、日期、时间计算太阳的方位角和高度角，从而控制步进电机实现跟踪装置对太阳的跟踪。

本文采用高度角-方位角全跟踪方式，根据其原理设计了一种简单、实用的光伏自动跟踪装置的机械机构。

机械机构主要由支架、步进电机、传动齿轮、位置开关和基座组成。

为了能够产生较大的输出转矩来带动光伏阵列的转动，使用大齿轮与电机进行连接，这样一方面可以避免使用减速器降低成本，另一方面可以产生较大的力矩。

方位轴垂直于地面，俯仰轴平行于地面。

大齿轮R1固定在方位轴上，且齿轮中心与方位轴的轴心重合，方位轴安装在基座上，其相对于基座可以转动，电机Ml转动可以带动大齿轮R1动作产生大的转矩。

大齿轮R2固定在俯仰轴上，电机M2与大齿轮R2啮合，俯仰轴连接在光伏阵列的旋转轴上。

位置开关的作用是当光伏阵列转动的范围超过预设范围时，停止跟踪，自动复位。

图2-3机械执行装置

跟踪机构实现自动跟踪的原理：

当太阳光线偏移量超过限定的阈值，首先控制器发出控制信号驱动电机Ml转动，电机输出轴带动固定轴上的大齿轮R1转动，因此带动方位轴以及固定在方位轴上的转动架及光伏阵列同步转动，实现了水平方向的跟踪。

然后控制信号驱动电机M2带动光伏阵列相对于支架俯仰转动，跟踪太阳高度角，直到光伏阵列正对太阳，在电机Ml、电机M2的共同作用下实现对太阳方位角和高度角的跟踪。

该机构特点是结构简单，便于控制，跟踪准确度高。

对方位角、高度角的跟踪，利用大齿轮产生的力矩，能在使用功率较小的电机的同时传递足够大的动力，使用功率较小的电机降低了其能源成本和系统造价。

整个跟踪机构的结构紧凑，大齿轮的应用还提高了跟踪的准确度，且提高了传动装置的寿命。

3自动跟踪系统的硬件设计

3.1控制系统硬件总体设计

自动跟踪装置的控制系统主要由控制器、光敏管、光强检测电路、步进电机、电机驱动等组成。

根据控制系统的设计要求构建一个以控制器为核心的应用系统，硬件电路的设计主要包括两部分的内容：

一是系统配置，即按照系统功能要求配置外围设备。

二是系统扩展，即当单片机内部的功能单元，如ROM，RAM,I/O等容量不能满足系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。

在系统的配置和扩展设计中，应遵循以下三个原则：

1.片外扩展时尽可能选择典型电路，使硬件系统标准化。

系统的配置除了满足基本功能之外，应留有一定余地，便于二次开发。

2.系统中相关器件要尽可能做到性能匹配。

硬件结构应结合应用软件方案一起考虑。

3.要充分考虑可靠性及抗干扰能力，避免器件之间相互影响。

单片机外接电路较多时，必须考虑其驱动能力。

按照以上原则并结合本控制系统的特点和功能，设计了系统硬件框图如图所示。

图3-1系统硬件框图

按模块分别对各单元电路进行电路设计，然后进行硬件合成，将各单元电路按硬件框图中各部分所实现的功能组合到一起，构成一个完整的硬件电路图。

在整个控制系统中，通过单片机的外围电路采集模拟量和开关量并输入到单片机的控制口，经过处理后输出到执行部件进行相应的动作，完成整个系统的控制。

关于提高系统准确性和稳定性

从实际试验的结果和理论分析来看，提高光伏发电自动跟踪系统的跟踪准确度和稳定性有以下几种方案：

1.适当增加用于遮挡光敏传感器的挡板高度。

试验证明，挡板的高度越高，跟踪的准确度越高。

当光线发生偏移，挡板可以挡住一部分光线，使光线主要落在一个光敏传感器上，另外一个光敏传感器由于光线被遮挡，光线会迅速减弱，使电压偏差迅速改变，即提高了跟踪的准确度。

2.在跟踪过程中改变电机运行方式。

太阳方位角和高度角跟踪时，单片机控制步进电机驱动H/D端口为高电平，电机采用