引言

開發(fā)新能源和可再生能源是全世界面臨的共同課題，太陽能發(fā)電已成為全球發(fā)展速度最快的技術。在新能源中，光伏發(fā)電是最具可持續(xù)發(fā)展理想特征的可再生能源技術，受到全世界的普遍重視。

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。但光伏發(fā)電成本過高是長期制約其高速發(fā)展的主要問題，其解決途徑之一便是提高發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量，使平板光伏組件受光面時刻正對太陽，相同的輻照條件下吸收比固定安裝光伏組件更多的太陽輻射能量，從而達到降低光伏發(fā)電成本的目的。

相關理論分析表明[1]：太陽的雙軸跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差41.34%，精確的跟蹤太陽可使接收器的熱接收效率大大提高，拓寬了太陽能的利用領域。該雙軸裝置按預定的位置調整太陽能電池板朝向，結構簡單、不必人工干預，特別適合天氣變化比較復雜和無人值守的情況，有效地提高了太陽能裝置的太陽能利用率，有較好的推廣應用價值。

太陽能伺服跟蹤系統(tǒng)設計

(1)太陽跟蹤方式選擇

按照不同的分類方法，太陽跟蹤方式通常有傳感器跟蹤和視日運動軌跡跟蹤(程序控制)，還有單軸跟蹤[2]和雙軸跟蹤。

傳感器跟蹤[3]是利用光電傳感器檢測太陽光是否偏離電池板法線，當太陽光偏離電池板法線時，傳感器發(fā)出偏差信號，經放大、運算后控制執(zhí)行機構，使跟蹤裝置重新對準太陽光。這種跟蹤方式的優(yōu)點是靈敏度高；缺點是受天氣影響大，陰雨天則無法對準太陽，甚至引起執(zhí)行機構的誤動作。視日運動軌跡跟蹤(程序控制)，是根據太陽的實際運行軌跡按預定的程序調整跟蹤裝置跟蹤太陽。這種跟蹤方式能夠全天候實時跟蹤，其精度不高，但是符合實際運行情況，應用較廣泛。

單軸跟蹤只是在方位角跟蹤太陽，高度角作季節(jié)性調整。雙軸跟蹤是在方位角和高度角兩個方向跟蹤太陽軌跡．顯然雙軸跟蹤的效果優(yōu)于單軸跟蹤。

目前，以雙軸跟蹤為基礎的傳感器雙軸跟蹤或程序控制雙軸跟蹤方式被普遍采用．在美國加州建造的發(fā)電功率約為300～600mw的太陽能斯特林電廠中，所有太陽能集熱器都采用雙軸跟蹤系統(tǒng)。

(2)視日運動軌跡跟蹤設計

太陽每天東升西落，站在地球表面的人會觀測到太陽很有規(guī)律的在天球上運動。視日運動軌跡跟蹤就是利用plc控制單元根據相應的公式和參數計算出白天時太陽的實時位置，然后發(fā)出指令給伺服電機去驅動太陽跟蹤裝置，以達到對太陽實時跟蹤的目的。太陽在天球上的位置可由太陽高度角αs和太陽方位角γs來確定。太陽高度角αs又稱太陽高度、太陽俯仰角，是指太陽光線與地表水平面之間的夾角

(0≤αs ≤90°)[4]，可由下式計算得出：

(1)

(2)

式中各角度單位均為度，其中θ為當地緯度角；δ為太陽赤緯角；ω為時角，是用角度表示的時間。春分和秋分時δ=0°，夏至時δ=23.5°，冬至時δ=-23.5°；太陽方位角是指太陽光線在水平面上的投影和當地子午線的夾角[4]，可由(3)式確定：

(3)

在太陽軌跡公式(1)，(2)，（3）中，涉及到3個天文地理坐標，即太陽赤緯角δ、緯度角δ和時角ω。太陽能光伏發(fā)電地點的地理經緯度通過gps等精密導航儀器可以方便獲得。而赤緯角和時角的計算需要通過時間確定，由于太陽在一年中的時角運動很復雜，日常生活中的鐘表時間采用平太陽時，即太陽沿著周年運動的平均速率，在工程計算中，就會存在時差問題(真太陽時與平太陽時之差)，因此必須采用真太陽時（t0），否則在實際計算中無法到達精度要求。為了得到準確的真太陽時（t0），可以根據定時標準來校正時差值，我國區(qū)域的時差確定如下[5]：

t0＝（120－longitude）/15-e/60 (4)

式中，longitude為光伏發(fā)電地點的地理經度，中國地區(qū)的北京標準時間的經度為120°，e為時差，可由下式計算得出：

(5)

(6)

因為每24小時地球自轉1圈，所以每15°為1h，且正午時， 時角ω=0°，上午ω>0°，下午ω0°?？捎上率接嬎愠觯?/P>

(7)

式中t為北京時間。另外n為1年中的日期序號，從1月1號開始起數，n＝1，每往后加一天，n＝n＋1，比如我們在此輸入165（天），就相當于今年的6月12日，輸入286（天），就相當于今年的10月13日，其他以此類推。

其中，當太陽在正南方向時，（3）式中的方位角γs=0°，正南以西γs>0°，正南以東γs0°。為了有效跟蹤太陽的位置，除了要計算出太陽的實時位置外，還需要知道具體某天的日出時角ω1、日落時角ω2。由于日出日落時太陽高度角αs=0°，由(1)式可計算出：

(8)

根據時角ω上午ω>0°，下午ω0°，得到日出時角：

(9)

(10)[next]

計算出日出時角，日落時角后，由（7）式可得出日出時間t1和日落時間t2。

(3)控制系統(tǒng)核心部件plc

可編程邏輯控制器plc[6]是太陽能跟蹤系統(tǒng)的核心部件，系統(tǒng)采用結構緊湊、配置靈活和指令集強大的歐姆龍公司cp1h-x系列的plc；用戶程序包括浮點數運算、定時器、脈沖指令輸出等復雜的數學運算以及特殊功能寄存器等指令內容，從而使cx－programmer能夠監(jiān)視輸入狀態(tài)，改變輸出狀態(tài)，以達到控制的目的。另外，選用cp1h不僅能用于獨立的太陽能設備跟蹤系統(tǒng)控制，特別是對于串、并聯的大型光伏太陽能陣列的跟蹤系統(tǒng)控制，能發(fā)揮plc現場總線的控制優(yōu)勢進行集中控制。

(4)風速傳感器模塊

為了保護跟蹤裝置組件不被大風吹壞，設計了大風響應中斷子程序。風速達到13m／s時，風速傳感器輸出脈沖信號，程序進入高速脈沖中斷響應子程序，太陽電池板自動放平，停止跟蹤，大風過后5分鐘快速恢復自動跟蹤[7]。風速傳感器可以對多個太陽電池方陣進行群控，而且具有可靠性高，抗干擾能力強，使用方便，適合惡劣環(huán)境工作等特點。

(5)控制系統(tǒng)硬件電路的設計

實現x-y二維聚光發(fā)電伺服跟蹤系統(tǒng)控制硬件結構基本配置如下：上位機采用歐姆龍plc、歐姆龍電機及其驅動器。

圖1 跟蹤系統(tǒng)結構圖

在一天的整個過程中，跟蹤器獲得最優(yōu)的俯仰角和方位角，電池板接收到最大太陽日輻射量。系統(tǒng)由一臺歐姆龍伺服電機和減速機構成方位角轉動機構，一臺歐姆龍伺服電機和直線導軌構成高度角轉動機構。光伏跟蹤系統(tǒng)設計采用了開環(huán)程序控制方式，避免了偶爾云層遮擋太陽能伺服跟蹤系統(tǒng)造成的干擾。首先用一套公式通過上位機plc算