陈世宝，杨淑连，李田泽，赵云凤，秦长葳，谢 满

（山东理工大学 电气与电子工程学院，山东 淄博 255091）

在实验条件相同时，跟踪式光伏发电设备的发电量要在固定式基础上提高35%以上［1］.由于太阳光线的发散性，为了充分利用太阳能，跟踪技术正变得越来越重要.

由于分类方法的不同，光伏跟踪方式可分为传感器跟踪和程序跟踪（视日运动轨迹），单轴跟踪和双轴跟踪等几种不同的跟踪方式.

传感器跟踪是通过光电传感器检测太阳的位置进行跟踪，信号由传感器，放大器，数据处理和控制机制处理后控制光伏电池板，使其正对太阳光线.传感器跟踪方法具有灵敏度高的优点，但是在没有阳光的阴雨天，就无法进行跟踪定位.程序跟踪（太阳轨迹跟踪），首先进行预处理，调整太阳能电池板跟踪太阳的实际运行轨迹.有无光线都可跟踪，24小时实时跟踪，但其准确性较低.

单轴跟踪是通过方位角来确定太阳位置的.利用高度角和方位角来跟踪太阳的技术称为双轴跟踪.当前，广泛使用的是双轴传感器跟踪和双轴程控跟踪.

考虑到两种跟踪方式的优缺点，结合成本和测量精度，提出采用圆弧形传感器跟踪与程控校正跟踪两级互补的跟踪方法.在硬件成本不变的情况下，提高了跟踪准确度.

1 跟踪原理

本系统采用:程序跟踪（视日运动轨迹跟踪）和传感器跟踪（光照比较法）两级互补跟踪方式.提高了跟踪精确度.

1.1 程序跟踪控制原理

程序跟踪就是通过计算每天每时太阳的位置参数，依据位置参数驱动电机跟踪.太阳高度角和太阳方位角的位置参数是通过天文计算确定的，计算过程中要考虑到经度、纬度值，因为在不同的地理位置，太阳的位置参数、时间是不一样的，因此主动跟踪的准备工作是比较复杂的.

选取地平坐标系，则太阳高度角的计算公式为

太阳方位角的计算公式为

在地平坐标系中只要明确当地的地理纬度、时间以及日期，就可以精确的求出当地时间所对应的太阳高度角和方位角［2］.

1.2 传感器跟踪（光照比较法）原理

所谓的太阳位置是有观测者测量得到的，由于观测时间和位置不同，所得到的结果就不同.因此，要想对太阳进行实时定位监测，必须有一套系统的监测方法.比较常用的方法有坐标定位法、光照强度比较法、系统定时法和光敏电阻电流比较法.通过实验对这4种跟踪方法进行了测试比较:坐标定位法有较高的检测精度，但成本较高，电路设计复杂；光照强度比较法使光能的利用率无法达到最好；系统定时法电路简单，但系统跟踪精度较差，易受外界环境的影响；光敏电阻电流比较法能有效的利用光能，同时由于电路简单，被广泛应用.光伏检测模块是由光电检测电路和偏差信息处理输出电路组成.传感器控制系统由检测电路、模数转化模块和光电二极管组成.图1所示的圆弧形装置中的A和B光电二极管是用来检测太阳高度的，而检测太阳方位是通过C和D光电二极管实现的.太阳光线照到圆弧形传感器表面，对称的两个光敏电阻接收的光照强度不同，输出不同的电流信号（即偏差信号），此信号通过模数转换装置转换为数字信号，并根据信号的大小和正负方向来控制电池板的转动角度和转向.直到太阳光线垂直照射时，对称两光敏电阻阻值相同，电池板停止转动，此时电池板指示位置就是太阳位置［3］.

图1 传感器俯视图

2 光伏发电跟踪系统的组成和结构

自动跟踪系统由光伏模块、光电检测模块、信号处理模块、PLC控制系统、电源模块和驱动电路等组成.自动跟踪系统的控制框图如图2所示.

图2 自动跟踪系统控制框图

2.1 光伏模块

太阳能电池板选用中国光伏集团东营光伏太阳能有限公司生产的CNPV－180M型号的光伏组件，有72块单晶硅太阳能电池片组成，其技术参数主要峰值功率Pm:180W，最佳工作电压33V.这些参数是在标准的试验条件下测试的（太阳光强度1000W／m2，太阳板温度25℃，空气质量1.5）.

2.2 光电检测和信号处理模块

光敏电阻传感器是光伏发电跟踪系统的光信号采集装置，它的使用原理是光照强度不同，光敏电阻阻值不同.太阳光线与圆弧传感器的垂直方向有夹角时，光照多的那个光敏电阻阻值减小，从而产生变化的电压信号，此信号与光照辐射度有关.该信号通过信号处理模块（如图3所示），传感器1和传感器2分别接入两个PLC模拟输入端口，通过对比计算，输出控制信号，驱动电机转动，直至两个电阻接收的太阳辐射度相同.

图3 信号处理电路

2.3 驱动电路模块

步进电机的特点是每接受一个脉冲，电机就会向指定的方向移动一定的步距角度.本系统采用Q2HB34MA细分驱动器来驱动86BYG250B型步进电机，通过改变相邻两相电流的大小来改变合成磁场的夹角控制步进电机运转.

2.4 控制器单元

光伏跟踪系统采用PLC作为控制系统，它是光伏跟踪系统的最主要部分.系统采用西门子CPU226为控制核心、以MCGS组态软件设计人机界面.由于采用了RS－485接口，站点互联时可节省信号线，便于高速、远距离传输（传输距离可达500m［4］），传输所受干扰小.经过实验对比，PLC控制器的工作速度快，存储容量大，可靠性高，抗干扰能力强，具有自动返回功能.限位器能够限位上、下、左、右四个方向上的电机最大转度，防止损坏仪器.采用光电信号控制和电机驱动控制两种控制结构，来保证系统安全.PLC控制框图如图4所示.

3 主程序设计

PLC主程序主要完成系统初始化，其流程图如图5所示.

根据控制要求，先使PLC初始化，控制太阳能电池板回基准位置，开始读取数据.PLC依据主程序运行，依据时间设置，计算日出日落时间，确保日出后装置运行.调入光电检测程序，若晴天，则进入传感器跟踪模式；阴雨天进入程序跟踪模式.系统进入实时自动跟踪状态后，PLC通过程序检测太阳位置，经过计算发出相应的PWM脉冲，来调节和控制电机转动［5］使太阳光线正对电池板，其利用率达到最高.同时PLC将检测到的数据上传到上位机中，以可视化的曲线图表示出来.

图4 PLC控制框图

图5 主程序流程图

4 实验与结果分析

通过实验对不同跟踪装置的电池板接收的辐射度做了测量、比较、分析，证明了混合跟踪系统的必要性.实验结果如图6所示.

图6 辐射度曲线

从图6曲线可以看出图6（c）中混合跟踪系统直接辐射表的辐射强度明显高于图6（a）、图（b）两者，最大辐射强度与最小辐射强度之间的差别大约在300W／m2.说明混合跟踪在很大程度上提高了太阳能电池板接收到的太阳辐射强度.

5 结束语

本系统可以根据太阳光线的强弱检测昼夜，同时根据环境变化寻找最佳辐射点，做到高效率，高准确性.在阴雨天气时能够根据太阳位置跟踪太阳，在晴天时通过光敏电阻寻找最佳辐射点并对数据进行存储，具有很高的控制精度，应用前景广泛.电机采用电池板直接供电，减少电能的浪费，实现了高准确度的追踪太阳，高效率的提高光能利用率.使用价值非常大，未来发展前景广阔.

［1］吴红山.太阳能的应用现状及发展前景［J］.科技信息（学术版），2008（7）:72－74.

［2］王炳忠，汤洁.几种太阳位置计算方法的比较研究［J］.太阳能学报，2001，22（4）:413－417.

［3］冯静，张龙，刘先立.四象限太阳跟踪传感器的设计［J］.能源研究与利用，2010（4）:12－15.

［4］耿欣，林中达.智能型太阳自动跟踪系统的PLC设计［J］.工业仪表与自动化装置，2010（3）:30－33.

［5］Tudorache T，Kreindler L.Design of a solar tracker system for PV power plants［J］.Acta Polytechnica Hungarica，2010，7（1）:23－39.