引言

開發(fā)新能源和可再生能源是全世界面臨的共同課題，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術(shù)。在新能源中，光伏發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術(shù)，受到全世界的普遍重視。

太陽能光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要方式之一，因其資源潛力大、可持續(xù)利用等特點，成為各國競相發(fā)展的重點。但光伏發(fā)電成本過高是長期制約其高速發(fā)展的主要問題，其解決途徑之一便是提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，使平板光伏組件受光面時刻正對太陽，相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏組件更多的太陽輻射能量，從而達到降低光伏發(fā)電成本的目的。

相關(guān)理論分析表明：太陽的雙軸跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差41.34%，精確的跟蹤太陽可使接收器的熱接收效率大大提高，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。該雙軸裝置按預(yù)定的位置調(diào)整太陽能電池板朝向，結(jié)構(gòu)簡單、不必人工干預(yù)，特別適合天氣變化比較復(fù)雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能裝置的太陽能利用率，有較好的推廣應(yīng)用價值。

太陽能伺服跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

（1）太陽跟蹤方式選擇

按照不同的分類方法，太陽跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤（程序控制），還有單軸跟蹤和雙軸跟蹤。

傳感器跟蹤［3］是利用光電傳感器檢測太陽光是否偏離電池板法線，當(dāng)太陽光偏離電池板法線時，傳感器發(fā)出偏差信號，經(jīng)放大、運算后控制執(zhí)行機構(gòu)，使跟蹤裝置重新對準(zhǔn)太陽光。這種跟蹤方式的優(yōu)點是靈敏度高；缺點是受天氣影響大，陰雨天則無法對準(zhǔn)太陽，甚至引起執(zhí)行機構(gòu)的誤動作。視日運動軌跡跟蹤（程序控制），是根據(jù)太陽的實際運行軌跡按預(yù)定的程序調(diào)整跟蹤裝置跟蹤太陽。這種跟蹤方式能夠全天候?qū)崟r跟蹤，其精度不高，但是符合實際運行情況，應(yīng)用較廣泛。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角作季節(jié)性調(diào)整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個方向跟蹤太陽軌跡．顯然雙軸跟蹤的效果優(yōu)于單軸跟蹤。

目前，以雙軸跟蹤為基礎(chǔ)的傳感器雙軸跟蹤或程序控制雙軸跟蹤方式被普遍采用．在美國加州建造的發(fā)電功率約為300～600mw的太陽能斯特林電廠中，所有太陽能集熱器都采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。

（2）視日運動軌跡跟蹤設(shè)計

太陽每天東升西落，站在地球表面的人會觀測到太陽很有規(guī)律的在天球上運動。視日運動軌跡跟蹤就是利用plc控制單元根據(jù)相應(yīng)的公式和參數(shù)計算出白天時太陽的實時位置，然后發(fā)出指令給伺服電機去驅(qū)動太陽跟蹤裝置，以達到對太陽實時跟蹤的目的。太陽在天球上的位置可由太陽高度角αs和太陽方位角γs來確定。太陽高度角αs又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面之間的夾角

在太陽軌跡公式（1），（2），（3）中，涉及到3個天文地理坐標(biāo)，即太陽赤緯角δ、緯度角δ和時角ω。太陽能光伏發(fā)電地點的地理經(jīng)緯度通過gps等精密導(dǎo)航儀器可以方便獲得。而赤緯角和時角的計算需要通過時間確定，由于太陽在一年中的時角運動很復(fù)雜，日常生活中的鐘表時間采用平太陽時，即太陽沿著周年運動的平均速率，在工程計算中，就會存在時差問題（真太陽時與平太陽時之差），因此必須采用真太陽時（t0），否則在實際計算中無法到達精度要求。為了得到準(zhǔn)確的真太陽時（t0），可以根據(jù)定時標(biāo)準(zhǔn)來校正時差值，我國區(qū)域的時差確定如下：

式中t為北京時間。另外n為1年中的日期序號，從1月1號開始起數(shù)，n＝1，每往后加一天，n＝n＋1，比如我們在此輸入165（天），就相當(dāng)于今年的6月12日，輸入286（天），就相當(dāng)于今年的10月13日，其他以此類推。

其中，當(dāng)太陽在正南方向時，（3）式中的方位角γs=0°，正南以西γs》0°，正南以東γs《0°。為了有效跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置外，還需要知道具體某天的日出時角ω1、日落時角ω2。由于日出日落時太陽高度角αs=0°，由（1）式可計算出：

計算出日出時角，日落時角后，由（7）式可得出日出時間t1和日落時間t2。

（3）控制系統(tǒng)核心部件plc

可編程邏輯控制器plc［6］是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)緊湊、配置靈活和指令集強大的歐姆龍公司cp1h-x系列的plc；用戶程序包括浮點數(shù)運算、定時器、脈沖指令輸出等復(fù)雜的數(shù)學(xué)運算以及特殊功能寄存器等指令內(nèi)容，從而使cx－programmer能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)，以達到控制的目的。另外，選用cp1h不僅能用于獨立的太陽能設(shè)備跟蹤系統(tǒng)控制，特別是對于串、并聯(lián)的大型光伏太陽能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現(xiàn)場總線的控制優(yōu)勢進行集中控制。

（4）風(fēng)速傳感器模塊

為了保護跟蹤裝置組件不被大風(fēng)吹壞，設(shè)計了大風(fēng)響應(yīng)中斷子程序。風(fēng)速達到13m／s時，風(fēng)速傳感器輸出脈沖信號，程序進入高速脈沖中斷響應(yīng)子程序，太陽電池板自動放平，停止跟蹤，大風(fēng)過后5分鐘快速恢復(fù)自動跟蹤［7］。風(fēng)速傳感器可以對多個太陽電池方陣進行群控，而且具有可靠性高，抗干擾能力強，使用方便，適合惡劣環(huán)境工作等特點。

（5）控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計

實現(xiàn)x-y二維聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)控制硬件結(jié)構(gòu)基本配置如下：上位機采用歐姆龍plc、歐姆龍電機及其驅(qū)動器。

在一天的整個過程中，跟蹤器獲得最優(yōu)的俯仰角和方位角，電池板接收到最大太陽日輻射量。系統(tǒng)由一臺歐姆龍伺服電機和減速機構(gòu)成方位角轉(zhuǎn)動機構(gòu)，一臺歐姆龍伺服電機和直線導(dǎo)軌構(gòu)成高度角轉(zhuǎn)動機構(gòu)。光伏跟蹤系統(tǒng)設(shè)計采用了開環(huán)程序控制方式，避免了偶爾云層遮擋太陽能伺服跟蹤系統(tǒng)造成的干擾。首先用一套公式通過上位機plc算出在給定時間太陽的位置，即實際時刻太陽所在高度角和方位角，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，這個位置乘以相關(guān)比例系數(shù)得到高度角和方位角電機所需的脈沖數(shù)，最后通過電機轉(zhuǎn)動裝置達到要求的位置，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

利用逆變器能夠?qū)⒐夥姵禺a(chǎn)生的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，進而直接輸送到電網(wǎng)上。在白天有日照的情況下，光伏電池會將大部分的能量輸送到電網(wǎng)上，而到了晚上光伏電池裝置會自動與電網(wǎng)斷開。

本文所設(shè)計跟蹤調(diào)整裝置其結(jié)構(gòu)如圖2所示。它主要由底座、立軸、橫軸、兩臺伺服電機、傳動齒輪副、絲桿導(dǎo)軌等組成。其中伺服電機a驅(qū)動傳動齒輪副，使傳動齒輪副驅(qū)動立軸，令其跟蹤太陽方位角的變化；伺服電機b驅(qū)動絲杠導(dǎo)軌，支撐太陽能電池板繞橫軸作俯仰動作，以跟蹤太陽高度角的變化。

控制系統(tǒng)的實現(xiàn)取決于兩方面：

①電機控制部分和驅(qū)動部分；

②風(fēng)速傳感器。對于電氣控制部分和驅(qū)動部分，我們選擇相對領(lǐng)域有優(yōu)勢廠商的部件，尤其考慮到運行溫度范圍和環(huán)境。運行溫度范圍是－25℃到55℃。

跟蹤器的運行狀態(tài)可傳送給監(jiān)測臺。不僅監(jiān)測還可遠程控制達到穩(wěn)定。在系統(tǒng)的擴展和配置設(shè)計中，應(yīng)遵循以下原則：

①盡可能選擇典型電路，為硬件系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化打下基礎(chǔ)。

②系統(tǒng)的擴展與外圍設(shè)備配置的水平應(yīng)充分滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能要求，并留有適當(dāng)余地，以便進行二次開發(fā)。

③硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一起考慮。

④系統(tǒng)中相關(guān)器件要盡可能做到性能匹配。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現(xiàn)， 靈活度很高， 可以針對不同的地區(qū)和不同的氣候進行調(diào)整，盡量提高光伏電站的發(fā)電效率。還可以根據(jù)需要，增加光強傳感器、風(fēng)力傳感器等多種傳感裝置。圖3為跟蹤控制系統(tǒng)程序流程圖。

風(fēng)速傳感器響應(yīng)中斷子程序是有大風(fēng)來時，plc接受到風(fēng)速傳感器的高速脈沖，達到規(guī)定的脈沖數(shù)響應(yīng)中斷，太陽電池板放平以保護電池板組件。圖4為大風(fēng)中斷子程序框圖。

太陽能電池板有兩個自由度， 控制機構(gòu)將分別對x、y 兩方向進行調(diào)整。當(dāng)電池板轉(zhuǎn)到盡頭時，由于跟蹤裝置裝了限位觸感器，到限位觸點時自動切斷脈沖輸出，電機停止動作，起硬件保護作用。

結(jié)論

本文介紹了雙軸伺服太陽能自動跟蹤系統(tǒng)能自動檢測晝夜，實時跟蹤太陽。以歐姆龍plc作為控制器，計算出太陽的實時位置轉(zhuǎn)化為脈沖發(fā)送給伺服驅(qū)動器，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動跟蹤裝置跟蹤太陽，因此使得該自動跟蹤系統(tǒng)的準(zhǔn)確性高、可靠性強。即使是在天氣變化比較復(fù)雜的情況下，系統(tǒng)也能正常工作，提高太陽能的利用效率。如果應(yīng)用于太陽能電池板，則可將電池板輸出的直流電逆變?yōu)榻涣麟姡苯荧@取電能，而無需另外輸入能量。