太陽能的跟蹤與檢測?

時繼潮 溫承鵬 曹 睿 吳陽明

（大連交通大學電氣信息學院 大連 116028）

1 引言

隨著社會的不斷發展，不可再生能源在地球上的儲量越來越少，因此，像太陽能這樣的可再生清潔能源越來越受到人們的重視。隨著人們對太陽能這一清潔能源使用量的增加，如何在同等投入下獲取更多的太陽能成為當下研究的重點［1］。

本設計正是針對現有太陽能發電設備自身存在的種種不足，加入反饋調節、對比較正等相關算法，使設備對太陽進行實時追蹤，最大程度地保證對太陽能的采集與利用［2］。

2 光伏發電系統的整體結構與工作原理

此光伏發電系統主要由主控制器、光照傳感器、位置傳感器、步進電機、太陽能接收板組成。

步進電機一共有兩個，一個橫向放置，一個豎直放置，兩者間通過支架連接，起支撐和旋轉作用，太陽能接收板固定在與步進電機相連的支架上，光照傳感器固定在太陽能接收板邊上，與太陽能接收板垂直［3］。

主控制器主要由ARM芯片組成，光照傳感器通過對東、西、南、北四個方位的光照強度進行采集，將采集到的光照這一模擬量發送給主控制器，主控制器將這四路模擬量通過A/D轉換，將光照這一模擬量轉化為數字量，通過加入比較優化算法將采集量進行對比分析，將最終結果反饋給步進電機，從而實現相應操作，加上方位傳感器對方位角的實時比對，使太陽能電池板實時正向太陽［4］。

系統的整體結構圖如圖1所示。

圖1 檢測系統設備整體結構

由圖1可知，豎直放置的步進電機主要控制左右方位，水平放置的步進電機主要控制上下方位，最終加上方位傳感器的微調，使太陽能接收板實時正對太陽，從而獲取最大的太陽能轉換率［5］。

3 系統的控制策略分析

自動控制系統能夠對被控對象的工作狀態進行實時控制。其由許多不同的功能部分組成。在本系統中，主要應用閉環控制方式對整個系統進行控制，以達到最佳接收效果［6］。

3.1 閉環控制系統原理

閉環控制與常見的開環控制不同之處在于閉環控制中裝置與被控對象之間不僅有正向作用，還有反向的自動反饋作用，其能將被控系統的狀態進行實時反饋比對，因此閉環控制又稱為反饋控制［7］。閉環控制更多的是反映自然界中客觀事物控制自身運動的基本規律，其往往能實現相對復雜且精度要求較高的控制，對降低控制誤差有著顯著的作用［8］。

閉環控制示意圖如圖2所示。

由圖2可以看出，閉環控制系統的輸出量不斷地被反饋到輸入端，與輸入量進行比對，將對比結果傳遞給控制器，從而對被控對象執行相應操作，使輸出效果達到最優［9］。

3.2 改進控制系統原理

由于考慮到系統對太陽能的采集精度要求較高，因此在現有基礎上對控制方法進行了改進，增加了校正環節，這就使得系統整體性能更加穩定［10］。通過Matlab對相關控制算法中的閉環處理過程進行仿真，其仿真結果如圖3所示。

圖3 改進系統的控制仿真圖

由圖3中所標出的關鍵點可以看出，改進后的控制系統在相位裕度和幅值裕度均好于傳統的控制系統，尤其增益裕度的改變，這就使得控制系統具有更高的穩定性，更小的超調和誤差，滿足系統對光照采集高精度的要求［11］。

4 光伏發電系統硬件設計

系統的硬件部分主要包括電源模塊、控制器模塊、電機驅動模塊、光照傳感器模塊及方位傳感器模塊5部分［12］。

由于系統的低功耗與自身可發電的特點，電源模塊采用可充電蓄電池作為系統總供電源進行供電，經電路中多重濾波整合后，其為整個系統提供了持續穩定的電源輸出；控制器模塊以ST公司的STM32F103芯片為核心，其具有低功耗、高性能、易開發等優勢；電機驅動模塊模塊主要由主控芯片STM32F103控制，是調解整個系統方位的重要方式；光照傳感器模塊及方位傳感器模塊也是由主控芯片進行控制，主要講采集到的信息和反饋信息發送給主控制器，主控制器對所接收到的這一信息進行處理后控制步進電機做出相應方位調整，使太陽能的利用效率達到最佳［13］。

光伏發電系統的整體硬件電路圖如圖4所示。

圖4 光伏發電系統整體硬件電路

5 光伏發電系統軟件設計

系統上電后，首先進行初始化，由于在進入光電跟蹤控制模式之前，視日跟蹤控制環節已經采樣信號計算了偏差，所以進入光電控制模式后，實時太陽位置與實際太陽位置偏差值作為輸入的偏差信號啟動光電跟蹤控制系統［14］。

系統的軟件設計流程圖如圖5所示。

圖5 光伏發電系統軟件流程圖

由圖5可以得知，系統初始化后，首先對偏差量進行采集，然后啟動閉環反饋系統進行對比分析，將比對結果反饋給控制系統，從而控制系統控制電機做出相應調整，不斷反饋不斷修正，使最終采集效果達到最優［15］。

6 結語

太陽能和其它不可再生能源相比有著環保、可重復使用、使用周期長等優點，大力發展太陽能等清潔可再生能源迎合現在節能環保的發展理念，是未來科技發展的重要方向［16］。

同時，此系統還具有轉化效率高、穩定性強、便于攜帶使用等優勢，只要有太陽、需要用電的地方都可以很好地被利用，現在已經完成實物的研發和測試，性能穩定，具有廣闊的商業價值和應用前景。