高精度太陽能聚光雙軸定時跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為提高太陽能電池光電轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計了一種太陽能雙軸全自動聚光跟蹤控制系統(tǒng)，使可以放多個太陽能電池模塊的框架平臺可以跟蹤太陽光旋轉(zhuǎn)，并保持框架平臺上的太陽能電池與陽光入射角保持垂直，以達到光能的最大獲取率。在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計出可以同時跟蹤太陽軌跡的二軸框架平臺結(jié)構(gòu)，方位軸和俯仰軸。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，設(shè)計太陽運行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結(jié)合的自適應(yīng)智能跟蹤方法，全自動地準(zhǔn)確跟蹤太陽的位置，跟蹤精度小于0．4°，最大限度的接收太陽能，提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換的效率。
關(guān)鍵詞：太陽能聚光；光伏組件；高精度跟蹤；伺服控制

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。近年來，隨著太陽電池成本下降，光伏發(fā)電已成為太陽能利用中最具活力的領(lǐng)域，而提高光伏發(fā)電裝置的轉(zhuǎn)換效率是進一步利用太陽能、降低成本的重要課題。為了提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，需要提高光伏陣列吸收太陽輻射能量的能力。其主要解決途徑是使光伏組件的框架平臺受光面能正對太陽，使相同的輻照條件下比固定安裝的光伏組件能吸收更多的太陽輻射能量。國內(nèi)外的研究主要集中在最佳傾角固定安裝和自動跟蹤裝置，成本最低的最佳傾角固定安裝光伏陣列，由于太陽光入射角隨晝夜、季節(jié)變化，光伏組件陣列不能充分吸收太陽輻射的能量，且由于光伏組件聚光后產(chǎn)生的高溫，有可能反而造成不必要的損失。
文中在考慮太陽的運動軌跡模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計出可以同時跟蹤太陽軌跡的兩軸框架平臺結(jié)構(gòu)。采用太陽軌跡自動跟蹤系統(tǒng)隨時根據(jù)太陽的運行軌跡調(diào)整陣列表面位置以減小入射角，在相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏陣列更多的太陽輻射能量。在考慮晴天和陰天等復(fù)雜天氣情況下，運用太陽運行軌跡跟蹤方式和光傳感器跟蹤方式相結(jié)合的自適應(yīng)智能跟蹤方法，全自動地準(zhǔn)確跟蹤太陽的位置，最大限度的接收太陽能，提高了太陽能光電轉(zhuǎn)換的效率。

1 太陽運動軌跡及平臺框架結(jié)構(gòu)
1．1 太陽運動軌跡
太陽軌跡跟蹤系統(tǒng)的運行原理為：依據(jù)天體運行規(guī)律，實時計算出太陽對應(yīng)于當(dāng)?shù)貢r間、經(jīng)度、緯度的與水平面相對的方位角和俯仰，進而通過電機驅(qū)動框架平臺按照確定的角度運行，以使光伏組件正對太陽光的最強點。
在太陽能利用文獻中有大量的文獻，涉及太陽位置的算法上述算法有些簡單，有些復(fù)雜。但無論算法的簡單與否，最終均需計算出太陽的赤緯角、當(dāng)?shù)靥枙r角，并以此為變量，利用球面三角公式或矢量法計算太陽視位置的地平坐標(biāo)(方位角、俯仰角)。太陽位置地平坐標(biāo)計算通用公式如下所示：

其中，el是太陽高度角；az是太陽方位角；δ是太陽赤緯角：ω是太陽時角；φ是當(dāng)?shù)鼐暥取?br /> 由以上公式可知，太陽赤緯角、太陽時角的估算與太陽位置的計算密切相關(guān)，其估算精度直接影響太陽位置的計算精度。其中太陽赤緯角δ是太陽光線與地球赤道的夾角(以北為正)。一年內(nèi)，太陽赤緯角在之間變動。要確定某一天的太陽赤緯角，可以利用下面的公式來進行近似的計算：

其中，DAY為式中：DAY為從1月1日起，到該天的天數(shù)。
由于外界自然環(huán)境復(fù)雜多變，天空中飛起的樹葉或生活垃圾，以及云層的運動都會對傳感器檢測造成干擾，使跟蹤器產(chǎn)生很大的跟蹤誤差。所以采用這種高精度太陽能跟蹤控制器可以提高跟蹤的精度和抗干擾能力。