摘 要： 在詳細分析太陽自動跟蹤方式的基礎上，設計了一個由多臺太陽跟蹤器組成的太陽自動跟蹤系統(tǒng)，該跟蹤器采用混合式單軸跟蹤方式，無刷直流電機驅(qū)動。系統(tǒng)經(jīng)小規(guī)模試安裝后，可以精確跟蹤太陽，達到大幅度提高太陽能利用率的目的。
關鍵詞： 太陽能跟蹤器；無刷直流電機；DSP；高度角；方位角
當今社會，風能、太陽能、核能、生物質(zhì)能等多種綠色新型能源的應用正在逐漸占據(jù)市場，太陽能因其普遍性、豐富性和無害性成為了當前利用最為普遍的綠色能源。然而，雖然其輻射能量巨大，但分布卻特別分散，能量密度較小，光照過程不連續(xù)，所以，如何最大效率地提高太陽能的利用率成為國內(nèi)外應用研究的熱點。
傳統(tǒng)的太陽能利用裝置無法接收太陽的直射光，導致太陽能利用率偏低且成本較高。理論分析證明，太陽的精確跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差33％[1]。對于同一塊光伏板，光照垂直入射時接收到的太陽能是光伏板朝南固定時接收到的能量的3倍[2]。太陽自動跟蹤技術可以使太陽光時刻垂直入射到電池板上，大大提高了太陽能的利用率，本文設計的太陽自動跟蹤系統(tǒng)就能很好地達到這一目的。
1 自動跟蹤方式的選擇
根據(jù)控制信號的產(chǎn)生方式，可以將跟蹤技術分為視日運動軌跡式跟蹤、光電式跟蹤和混合式跟蹤3種方式。視日運動軌跡跟蹤是通過當前所在地的經(jīng)緯度、日期和時間來計算當前太陽的高度角及方位角；光電式跟蹤是通過光敏傳感器來感知當前的太陽光照的強弱，判斷是否垂直入射；混合式跟蹤就是將上述兩種控制方式結(jié)合在一起。
根據(jù)跟蹤轉(zhuǎn)軸的個數(shù)又可將跟蹤技術分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤[3]。常用的單軸跟蹤有傾斜角軸向方式、南北軸向方式和東西軸向方式等，單軸跟蹤一般都是跟蹤太陽的方位角。雙軸跟蹤是同時跟蹤太陽的高度角和方位角，雙軸跟蹤雖然能最大效率地利用太陽輻射能量，但其控制復雜、成本高、耗電量大，性價比明顯低于單軸系統(tǒng)。單軸跟蹤能夠得到比固定安裝系統(tǒng)更高的太能輻射利用率，系統(tǒng)成本、耗電量都很低，所以對自動化要求不是太高的應用環(huán)境中采用單軸跟蹤較合適。
在3種基本的單軸跟蹤方式中[4]，東西軸向方式在中午利用率較高；南北軸向方式呈現(xiàn)中午低早晚高且波動較小的特點；傾斜角軸向方式的全天利用系數(shù)基本保持穩(wěn)定。從全年可利用總能量來說，采用南北軸向方式具有顯著優(yōu)勢。軸向放置圖如圖1所示。
綜上所述，本文所設計的系統(tǒng)采用混合式單軸跟蹤、南北水平放置東西跟蹤的軸向方式，下面具體介紹該系統(tǒng)的設計方案。
2 自動跟蹤控制系統(tǒng)的設計
2.1 總體方案設計
系統(tǒng)的總體結(jié)構示意圖如圖2所示，主要分為機械部分、控制部分和人機交互界面3部分。
2.1.1 機械部分
機械部分包括光伏板、絲桿等機械元件，本系統(tǒng)在光伏板東傾和西傾47°~50°左右處設置了機械限位裝置，防止發(fā)生故障時光伏板運動過頭而造成整個機械結(jié)構的損壞，并在光伏板東傾45°、西傾45°及中間位置處各設置了一個霍爾傳感元件，用來校正零位點及東西極限位，東西極限位由使用者自行設置，理論上不能超過機械限位50°。
由于系統(tǒng)采用視日跟蹤軌跡與光電控制相結(jié)合的方式，故需要在光伏板上安裝光電傳感器。本設計中光電傳感器的主要采光部件為硅光電池。將2個同型號的硅光電池分別對稱放置在光伏板中心東西方向，使之分別檢測這2個方向的光強。當東西方向兩個光電池傳感器接收到的光強度差值小于某個極小量時，控制器不發(fā)出讓電機動作的命令，當兩個信號強度超過一定的范圍時，可以驅(qū)動無刷直流電機作相應轉(zhuǎn)動，電機的轉(zhuǎn)動速度也可由光強的差值大小來確定，直到東西方向上的硅光電池接收光照強度相等，從而使采光面板在東西方向上正對太陽。
系統(tǒng)要求在風速為75 km/h的大風中，電機仍然能夠帶動光伏板正常轉(zhuǎn)動，且不因大風吹而導致位移。所以需要在機械設計中設置風速傳感器來檢測當前的風速是否滿足系統(tǒng)運行條件，并要求電動機的轉(zhuǎn)矩要滿足大風條件的要求。
2.1.2 控制部分
控制部分如圖3所示，主要包括從控單元和主控單元兩個部分。從控單元和電機驅(qū)動板做成一個整體直接封裝在電機端蓋，主控單元則獨立做成控制器安裝在外部，多個從控單元通過CAN總線與一個主控單元連接。
從控單元的主要功能包括：根據(jù)時間、當?shù)亟?jīng)緯度計算太陽位置，確定光伏板應處的角度；接收并處理霍爾傳感元件的信號，校對東、西極限位及中間零位點；接收并處理硅光電池的反饋信號，對光伏板的位置進行微調(diào)；自動運行模式時，驅(qū)動電機運行使光伏板在一個方向上正對太陽、確定當前系統(tǒng)的工作模式；接收主控單元的控制信號并將從控單元、電機的運行狀態(tài)信息傳遞給主控單元。
從控單元的狀態(tài)包括狀態(tài)1和狀態(tài)2兩部分：狀態(tài)1包括自動運行（Autorun）、停止運行（stop）（裝置回歸零位）、重新追蹤（retrack）、緊急停止（emergency）（裝置不回歸零位）和從緊急停止中恢復（restart）5種模式；狀態(tài)2包括夜間模式和大風模式兩種特殊運行方式。當狀態(tài)2處于夜間模式或大風模式時，不論狀態(tài)1處于何種工作狀態(tài)，電動機停止運行，裝置回歸零位。
主控單元的主要功能包括：設置和保存日期、時間、經(jīng)度和緯度等參數(shù)并同步其下從控單元的日期、時間；監(jiān)視所有從控單元的運行狀態(tài)；接收風速傳感器的信號，并確定系統(tǒng)是否進入大風保護模式；計算當天太陽日出日落的時間，確定其工作區(qū)間，判斷是否進入夜間模式；完成人機交互信息的處理與傳遞。
2.2 算法設計
確定太陽的方位需要幾個重要的參數(shù)。首先是太陽赤緯角，太陽赤緯角是指太陽位置的連心線與地球赤道面的交角，一年當中，太陽赤緯角每天都在變化，但不超過±23°27′的范圍；其次是太陽時角，太陽時角定義為通過太陽的時圈對天球子午圈的角距離，如果天體在正南則時角為0°，在子午圈以西時角為正值，子午圈以東為負值。而在高度角及方位角的計算中，需要的時角為真太陽時角，這就出現(xiàn)了時差的概念。太陽赤緯角、真太陽時角和時差的計算公式如下：
2.3.1 DSP控制模塊
本文選用飛思卡爾DSP56F8037作為主控芯片。56F8037是一款基于56800E的內(nèi)核系統(tǒng)，因其價格低廉、適應性強及緊湊的程序編程性而在工業(yè)中得到廣泛應用。在32 MHz時鐘頻率下可達到32 MIPS的指令執(zhí)行速度，并采用雙哈佛結(jié)構大大提高了系統(tǒng)的數(shù)據(jù)吞吐率，3.3 V的I/O電壓大大降低了它的功耗，并且大大增加了C編譯器應用的控制效率。
2.3.2 傳感器采集電路
傳感器采集電路包括兩部分：光電傳感器采集電路和零位、東西限位霍爾傳感器采集電路。光電傳感器的采集信號經(jīng)處理后直接送入DSP作為系統(tǒng)的反饋控制信號；零位的霍爾傳感器在校正零點時起到了非常重要的作用，零點校正的準確性直接關系到整個系統(tǒng)的運行精度，東西限位的霍爾傳感器則起到了保護作用。
2.3.3 電機控制模塊
電機控制模塊的作用是驅(qū)動無刷直流電機轉(zhuǎn)動從而使光伏板旋轉(zhuǎn)到正對太陽的位置。大部分無刷直流電機采用三相全波六狀態(tài)方式工作，需要三個霍爾位置傳感器。無刷直流電機通過改變電源電壓Us實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。在Us大小固定的條件下則是通過對Us實行脈寬調(diào)制（PWM）控制來調(diào)壓調(diào)速，對于三相橋式主電路本文采取單極性PWM控制3個上橋臂元件。如圖6所示，將霍爾傳感器輸入的信號經(jīng)DSP處理之后產(chǎn)生PWM控制信號，PWM信號控制上橋臂元件的通斷以調(diào)節(jié)功率管的占空比，從而改變電樞繞組供電電壓的大小以實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。
無刷直流電機控制方式為雙閉環(huán)PI控制。外環(huán)為速度環(huán)（電壓環(huán)），主要起穩(wěn)定轉(zhuǎn)速和抗負載擾動作用；內(nèi)環(huán)為電流環(huán)或轉(zhuǎn)矩環(huán)，主要起穩(wěn)定電流和抗電網(wǎng)電壓波動的作用。
2.3.4 編碼器輸入模塊
編碼器輸入模塊的作用是輸入當前從控單元的編號，此編號在CAN通信中代表此臺控制器的通信ID，主控單元通過此ID判斷每個從控單元的通信狀態(tài)，其中編號0代表主控單元向從控單元群發(fā)信息，所以編碼器輸入時不得輸入0代表某一臺從控單元。
2.4 軟件設計
系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示。
3 實驗及分析
無刷直流電機的控制模塊是太陽自動跟蹤系統(tǒng)中的核心，故對無刷直流電機的驅(qū)動電路進行實驗。實驗中，功率管選擇APM4008N的MOSFET，驅(qū)動芯片選擇IR公司生產(chǎn)的IR2103驅(qū)動器，其工作電壓可達600 V，柵極驅(qū)動電壓為+10 V~+20 V，IR2103的供電電壓和APM4008N的供電電壓均為24 V，無刷直流電機功率為200 W。經(jīng)過實驗后得到如圖8、圖9所示的實驗波形。
圖8所示的是A相的功率管驅(qū)動波形，圖9所示為A、B兩相上橋臂PWM信號功率管驅(qū)動波形。每一瞬間各有不同相的上、下橋臂元件導通，每個功率開關元件導通1/3周期（120°電角度），每隔1/6周期（60°電角度）換流一次。
本文設計了一個由多臺混合式單軸太陽能跟蹤器組成的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)，經(jīng)討論，該系統(tǒng)具有成本低、集中性強等特點。對于當前市場中大部分單獨采用視日運動軌跡式或光電傳感器式跟蹤方式的跟蹤器來說，此種方法適應性更強，跟蹤精度更高。對無刷直流電機驅(qū)動實驗的分析表明無刷直流電機在太陽能跟蹤系統(tǒng)中可實現(xiàn)高精度、高可靠性的要求。在多臺跟蹤器協(xié)調(diào)控制技術方面的研究使整個系統(tǒng)可以實現(xiàn)集中控制，在實際應用中具有較高的市場競爭力，更體現(xiàn)其先進性，在未來太陽能跟蹤技術的發(fā)展中具有更好、更廣闊的前景。
參考文獻
[1] GAY C F， YERKES J W， WILSON J H. Performance advantages of two-axis tracking for large flat-plate photovoltaic energy system[C]. In： Proceedings of 16th IEEE Photovoltaic Specialists Conference， 1982：1368-71.
[2] 王如竹，代彥軍．太陽能熱利用基礎[M]．第一版．北京：化學工業(yè)出版社，2007.
[3] 關繼文，孔令成，張志華.高精度太陽能跟蹤控制器設計與實現(xiàn)[J].自動化與儀器儀表，2010（3）：23-25.
[4] 余雷，王軍.關于不同單軸跟蹤方式的對比分析[J].太陽能學報，2011，32（3）：426-432.
[5] 劉四洋．主動式雙軸太陽跟蹤控制器[J].可再生能源，2007，25（6）：69-72.