长春理工大学 光电工程学院 ■ 王骁 曹秒安志勇 曹维国

一种新型太阳追踪策略的研究

长春理工大学 光电工程学院 ■ 王骁 曹秒*安志勇 曹维国

通过分析太阳运行规律，提出一种新型的追踪策略，先调整俯仰方向的步进电机，在俯仰周期内只需在东西方向进行调整，由于俯仰周期远大于东西周期，这样能够实现一定意义上的单轴追踪，再结合离散式运行方式能够显著降低系统的运行功耗。实验结果表明，采用新型追踪策略的太阳追踪系统输出功率与固定安装策略相比提高21%以上，与传统型高度角－方位角追踪策略相比提高7%左右，具有较广泛的应用前景。

太阳运行规律；追踪策略；单轴追踪；离散式运行；输出功率

0　引言

随着社会经济的不断发展，煤炭、石油等传统矿物资源日益短缺，大气污染、温室效应等环境问题日益严峻，因此，开发新型的可再生资源已成为近年来能源领域的研究重点［1］。太阳能作为一种可再生、覆盖面广、蕴含量高的绿色清洁能源，已经普遍应用于我们的日常生活中，但太阳能也存在着密度低、间歇性、分布不均衡的特点，这就对高效收集太阳能并尽可能转换为其他形式的能源提出了更高的要求［2,3］。

光伏发电是太阳能应用的重要途径，其核心是将光能转换为电能，能够有效缓解能源危机和减少环境污染，具有广阔的应用前景。目前大多数光伏发电系统采用支架固定安装的方式，太阳电池板只能面朝一个方向，无法充分利用太阳能，发电效率较低。对此，很多研究提出采用双轴跟踪方式［4,5］，对太阳电池板的高度角和方位角进行调整，使太阳光线尽可能垂直照射到太阳电池板上。这些设计虽然能够实现对太阳轨迹的精确追踪，但是在运行过程中需要在高度角和方位角两个方向上不断调整太阳电池板的位置，导致系统运行耗能较高，实际输出功率低于预期效果，不便于市场推广使用。本文通过对太阳运行规律进行分析，提出一种新型的追踪策略，实现一定意义上的单轴追踪，又结合离散式运行来降低系统运行功耗，具有一定应用价值。

1　工作原理

本系统主要由3个部分组成，包括处理器控制模块、电机驱动模块和输出采样模块，其总体构成如图1所示。

图1　系统总体框图

系统在设定的时间内工作，开始时刻供电完成初始化，截止时刻停止运行并归位。在运行时间内，系统根据设定的追踪策略运行，先调整俯仰方向的步进电机，再调整东西方向的步进电机；期间采用离散式运行方式［6］，电机驱动模块只在相应的周期信号到来时才供电运行，完成必要工作后进入断电待机状态。运行过程中，系统先开启检测模式，由太阳电池板中心的硅光电池对周围光强进行检测，只有高于设定的光强阈值才能进入追踪模式，否则等待下一周期再重新检测。

输出采样模块对太阳电池板的电流与电压进行采样，并将采样信号经A/D转换送至MCU。为进一步提高太阳电池板的输出功率，采用MPPT策略中的改进型扰动观察法［7,8］使其工作在最大功率点附近，有效避免传统直接充电方式对输出电压的限制，以及环境光强变化引起的误操作问题。

2　太阳运行规律分析

一天之内，太阳从东边升起，西边落下，因而在东西方向上使用步进电机带动太阳电池板转动，保证系统在东西方向上对太阳的大致追踪。由于赤道面和黄道面之间存在夹角，太阳光线一般不会垂直照射到太阳电池板上，因而需要额外增加一个步进电机实现俯仰方向的调整，使太阳光能够沿着太阳电池板的法线垂直照射到太阳电池板上。步进电机是根据控制系统发送过来的脉冲信号转动相对固定的角度，因而需要根据太阳运行规律来确定要发送的脉冲数。

图2　太阳位置示意图

如图2所示，在地平坐标系xyz中用太阳方位角Az、高度角Ah来表示天球上太阳的位置［9］。其中，太阳方位角Az是指太阳光线在地平面上的投影与正北方的夹角；高度角Ah是指从太阳中心照射到观测点的光线与地平面之间的夹角。设天球半径为R，则太阳在地平坐标系中的位置可用式(1)表示为：

以太阳电池板平面为基准建立局部直角坐标系x′y′z′，它可以视为是由原有的xyz坐标系绕x轴旋转一定角度得到的，其示意图如图3所示，其中γ为在某个俯仰周期内太阳电池板平面与水平地面的夹角。

图3　在某个俯仰周期内的局部直角坐标系x′y′z′

由三维空间的旋转公式得到太阳在局部直角坐标系x′y′z′的位置为：

当太阳从东向西运行时，东西方位的步进电机带动波导聚光模块绕y'轴旋转，转过的角度α可表示为：

以旋转后的太阳电池板平面为基准建立局部直角坐标系x′y′z′，同样由三维空间的旋转公式可得太阳位置表达式为：

下一个俯仰周期信号到来后，此时太阳光线不再垂直入射到太阳电池板平面上。设此时入射光线与太阳电池板平面法线夹角为Δγ，即在俯仰方向上应调整的角度，可由式(4)表示为：

一般在相同时间间隔里，太阳在东西方位的偏移角度远大于在南北方位的偏移角度，因而东西周期相对俯仰周期来说比较短；开启追踪模式后，先在俯仰方向进行调整，然后再调整东西方位，在俯仰周期内只需调整东西方位的步进电机。

这样可以实现一定意义上的单轴追踪，进一步降低系统的功耗。以2015年广州市太阳方位角Az、高度角Ah数据为例进行计算，在俯仰方向上固定太阳电池板朝南25°(即γ=25°)放置，通过式(1)～式(5)可计算出一年之内Δγ的变化曲线如图4所示。

图4　一年之内Δγ的变化曲线图

由图4可知，一年之内Δγ从冬至的23.5°逐渐降到夏至的-23.5°，然后再逐渐增加到下一个冬至的23.5°，由此可计算得到一天内Δγ的变化幅度约为0.26°。若系统在俯仰方向的允许误差大小为±0.5°，那么可以每隔4天对俯仰方向进行一次调整；若俯仰方向允许误差大小为±0.25°，则需要每隔2天对俯仰方向进行一次调整。

3　输出采样模块

在尽可能收集太阳光使其聚集到太阳电池板后，还要保证太阳电池在一定条件下尽可能输出更多的电能。传统方法是将太阳电池与蓄电池直接相连，这样会导致太阳电池的输出电压被拉低至蓄电池的工作电压附近，输出功率受到严重限制。MPPT策略通过跟踪太阳电池的输出功率，进而调整系统各个模块的工作状态，使太阳电池工作在最大功率点附近。

常用的MPPT策略有扰动观察法、恒压跟踪法、电导增量法等。从太阳电池的输出特性可知，最大功率点所对应的输出电压随光照强度、温度变化，因而恒压法跟踪法不能真正实现最大功率跟踪；电导增量法能够较好地实现最大功率跟踪，但对硬件要求较高。这里采用扰动观察法，其跟踪原理如图5所示。

图5　扰动观察法原理图

从图5可以看出，在输出功率曲线的上升阶段，光强由L1减小为L2时，输出功率由P1减小至P2，ΔP= P2–P1＜0。根据传统型扰动观察法可知，系统下一步动作应该是减小当前电压U，而实际上应继续增加U才能移向最大功率点；在输出功率曲线的下降阶段同样也存在这个问题。

本系统采用改进型扰动观察法，开始时先加一个扰动电压信号ΔU到太阳电池的输出电压U上，然后对输出电压U和电流I进行连续采样，并由此计算得到新的输出功率P；与此同时，通过光电检测模块对当前环境光强L进行检测和记录，计算相邻两次采样的功率差值ΔP和光强差值ΔL。当ΔP＜0时，如果ΔL＜0，说明是由于光强引起的变化，系统保持原来的电压；如果ΔL＞0，则需改变扰动方向。同理，当ΔP＞0时，如果ΔL＞0，则保持原电压，否则就继续该扰动。改进型扰动观察法在原有的扰动观察法基础上加入了环境光强检测，避免了系统因光强变化对扰动方向的误判。

此外，由于太阳电池的输出功率受环境影响较大，且不能存储能量，一般需要配备蓄电池来储存和调节电能。可通过直流-直流(DC/DC)变换电路连接太阳电池与蓄电池，采用基于放电脉冲的三阶段充电方式［10］，在充电时通过放电脉冲增大蓄电池的可接受充电电流，这样可以使蓄电池尽可能快速吸收光伏电池转换的电能，并在一定程度上延长蓄电池的使用寿命。

MPPT策略与三阶段充电方式相结合的复合控制策略能够充分协调太阳电池与蓄电池之间的工作状态，使收集到的太阳能利用率达到最大化，大幅提高系统的光电转换效率。

4　实验结果

本系统以TI公司的DSP TMS320F28035为主控制器，主要完成环境光强检测、发送脉冲信号驱动电机、实施MPPT策略使太阳电池板工作在最大功率点附近等功能。步进电机选用Shinano公司的S42D110A-MAA0S2，并采用鸣志MSST5-Q作为步进电机驱动器，步距角通过细分可达0.036°。选用型号为HYT15D-12的单晶硅太阳电池板，其相关性能参数见表1。

表1　光伏组件参数

系统测试选用3个型号均为HYT15D-12的同规格太阳电池板，分别安装在固定朝南45°的支架、采用高度角-方位角追踪策略的双轴传动执行装置、采用俯仰-东西追踪策略的双轴传动执行装置上；于2016年6月13日在吉林省长春市进行测试，天气状况为晴朗少云，光照充足；3种安装方式均采用改进型扰动观察法尽可能使太阳电池板工作在最大功率点附近。

实验测试结果如表2所示，Uout、Iout分别表示充电时太阳电池板的端电压和输出电流，Pout是由Uout、Iout计算得到的输出功率，p1是采用新型追踪策略后输出功率相对固定安装方式提升的百分比，p2是采用新型追踪策略后输出功率相对高度角-方位角追踪方式提升的百分比。

表2　3种安装方式的实验测试结果

由表2测试结果可知，采用新型追踪策略后，由于能够动态追踪太阳位置，太阳电池板输出稳定且接近标称功率，与固定安装方式相比提升了21%以上；而与传统的高度角-方位角追踪策略相比，对太阳的追踪精度有所下降，但由于在相对固定的俯仰周期内只需调整东西方向的步进电机，显著降低了系统的运行功耗，所以输出功率相对提升了7%左右。另外，新型追踪策略实现了一定意义的单轴追踪，降低了传动机械装置的损耗，大幅减少了主控制器程序设计的复杂性。

本实验测试是在一天内较为理想的天气下进行的，并未考虑到阴雨或多云天气的不利影响，弱光或无光时仍进行追踪，造成能源浪费，而且无法自动修正控制误差和机械传动误差，长期运行会造成较大的累积误差。可以考虑加入光电检测模块，先对周围环境光强进行检测，若是低于设定的感光阈值，就让系统进入待机状态，等待下一个周期再重新检测；若超过阈值，就进入追踪模式，先在大范围内采用新型追踪策略搜索太阳的位置，达到一定精度范围后再通过光电检测模块对太阳进行精确追踪。这样可以避免阴雨或多云天气下的能源浪费，并对系统运行的累计误差进行自动修正，能够实现较高效率的光电转换。

5　结论

本文通过分析太阳运行规律提出了一种新型的太阳追踪策略，先开启检测模式检查周围光强是否达到设定阈值，再开启追踪模式由步进电机带动太阳电池板转到与太阳光线垂直的位置。这一过程中，先在俯仰方向进行调整，后调整东西方位，实现了一定意义上的单轴追踪，并结合离散式运行策略极大降低了系统的自身功耗。在尽可能收集太阳光使其聚集到太阳电池板后，通过改进型扰动观察法使太阳电池板工作在最大功率点附近，有效避免了传统直接充电方式对输出电压的限制和光强变化引起的误操作问题，使电池板输出功率达到最大化。

由实验结果分析可知，采用新型追踪策略的双轴跟踪装置与固定安装方式相比提升21%以上，而与传统的高度角-方位角追踪策略相比提升7%左右，具有一定的研究意义和推广价值。

［1］ 胖莹,王振臣,冯楠,等.太阳能智能追光装置设计［J］.水电能源科学, 2011, (8)∶ 207－210.

［2］ 刘瑞歌,宋锋,吴汝坤.基于AVR的太阳能电池板自动追日系统的设计［J］.制造业自动化, 2013, (12)∶ 121－123.

［3］ Bouchard S, Thibault S. Planar waveguide concentrator used with a seasonal tracker［J］. Applied Optics, 2012, 51(28)∶ 6848－54.

［4］ 张海燕,王建平,张崇巍.单轴旋转跟日式多平面镜反射聚光器的设计［J］.太阳能学报, 2011, 32(12)∶ 1764－1771.

［5］ 刘巍,王志超,沈峘,等.面向聚光镜的太阳自动对准技术研究［J］.太阳能学报, 2010, 31(6)∶ 697－702.

［6］ 施云波,葛春志,王萌萌,等.融合最大功率点追踪和寻光感知技术的太阳能智能跟踪系统设计［J］.电网技术, 2014(1)∶87－92.

［7］ 温嘉斌,刘密富.光伏系统最大功率点追踪方法的改进［J］.电力自动化设备, 2009, (6)∶ 81－84.

［8］ 刘邦银,段善旭,刘飞,等.基于改进扰动观察法的光伏阵列最大功率点跟踪［J］.电工技术学报, 2009, 24(6)∶ 91－94.

［9］ 卞新高,杨缝缝,辛秋霞.一种大范围太阳光线自动跟踪方法［J］.太阳能学报, 2010, 31(10)∶ 1298－1303.

［10］ 曹卫华,李明杨,陈鑫,等.独立光伏发电系统高效充电控制器设计［J］.浙江大学学报(工学版), 2010, 44(7)∶ 1260－1265.

2016-05-26

曹秒 (1975—)，女，副教授、博士，主要从事新型光电仪器方面的研究。79816540@qq.com