摘 要： 在詳細(xì)分析太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方式的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一個(gè)由多臺(tái)太陽(yáng)跟蹤器組成的太陽(yáng)自動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)經(jīng)小規(guī)模試安裝后，可以精確跟蹤太陽(yáng)，達(dá)到大幅度提高太陽(yáng)能利用率的目的。
關(guān)鍵詞： 太陽(yáng)能跟蹤器；無刷直流電機(jī)；DSP；高度角；方位角
當(dāng)今社會(huì)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、核能、生物質(zhì)能等多種綠色新型能源的應(yīng)用正在逐漸占據(jù)市場(chǎng)，太陽(yáng)能因其普遍性、豐富性和無害性成為了當(dāng)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(yáng)能的利用率成為國(guó)內(nèi)外應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。
傳統(tǒng)的太陽(yáng)能利用裝置無法接收太陽(yáng)的直射光，導(dǎo)致太陽(yáng)能利用率偏低且成本較高。理論分析證明，太陽(yáng)的精確跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差33％[1]。對(duì)于同一塊光伏板，光照垂直入射時(shí)接收到的太陽(yáng)能是光伏板朝南固定時(shí)接收到的能量的3倍[2]。太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤技術(shù)可以使太陽(yáng)光時(shí)刻垂直入射到電池板上，大大提高了太陽(yáng)能的利用率，本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)就能很好地達(dá)到這一目的。
1 自動(dòng)跟蹤方式的選擇
根據(jù)控制信號(hào)的產(chǎn)生方式，可以將跟蹤技術(shù)分為視日運(yùn)動(dòng)軌跡式跟蹤、光電式跟蹤和混合式跟蹤3種方式。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤是通過當(dāng)前所在地的經(jīng)緯度、日期和時(shí)間來計(jì)算當(dāng)前太陽(yáng)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(dāng)前的太陽(yáng)光照的強(qiáng)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(gè)數(shù)又可將跟蹤技術(shù)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(yáng)的方位角。雙軸跟蹤是同時(shí)跟蹤太陽(yáng)的高度角和方位角，雙軸跟蹤雖然能最大效率地利用太陽(yáng)輻射能量，但其控制復(fù)雜、成本高、耗電量大，性價(jià)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(duì)自動(dòng)化要求不是太高的應(yīng)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(dòng)較小的特點(diǎn)；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(shì)。軸向放置圖如圖1所示。
綜上所述，本文所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)方案。
2 自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 總體方案設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，主要分為機(jī)械部分、控制部分和人機(jī)交互界面3部分。
2.1.1 機(jī)械部分
機(jī)械部分包括光伏板、絲桿等機(jī)械元件，本系統(tǒng)在光伏板東傾和西傾47°~50°左右處設(shè)置了機(jī)械限位裝置，防止發(fā)生故障時(shí)光伏板運(yùn)動(dòng)過頭而造成整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的損壞，并在光伏板東傾45°、西傾45°及中間位置處各設(shè)置了一個(gè)霍爾傳感元件，用來校正零位點(diǎn)及東西極限位，東西極限位由使用者自行設(shè)置，理論上不能超過機(jī)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(shè)計(jì)中光電傳感器的主要采光部件為硅光電池。將2個(gè)同型號(hào)的硅光電池分別對(duì)稱放置在光伏板中心東西方向，使之分別檢測(cè)這2個(gè)方向的光強(qiáng)。當(dāng)東西方向兩個(gè)光電池傳感器接收到的光強(qiáng)度差值小于某個(gè)極小量時(shí)，控制器不發(fā)出讓電機(jī)動(dòng)作的命令，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)強(qiáng)度超過一定的范圍時(shí)，可以驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)作相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度也可由光強(qiáng)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(qiáng)度相等，從而使采光面板在東西方向上正對(duì)太陽(yáng)。
系統(tǒng)要求在風(fēng)速為75 km/h的大風(fēng)中，電機(jī)仍然能夠帶動(dòng)光伏板正常轉(zhuǎn)動(dòng)，且不因大風(fēng)吹而導(dǎo)致位移。所以需要在機(jī)械設(shè)計(jì)中設(shè)置風(fēng)速傳感器來檢測(cè)當(dāng)前的風(fēng)速是否滿足系統(tǒng)運(yùn)行條件，并要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩要滿足大風(fēng)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(gè)部分。從控單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)板做成一個(gè)整體直接封裝在電機(jī)端蓋，主控單元?jiǎng)t獨(dú)立做成控制器安裝在外部，多個(gè)從控單元通過CAN總線與一個(gè)主控單元連接。
從控單元的主要功能包括：根據(jù)時(shí)間、當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽(yáng)位置，確定光伏板應(yīng)處的角度；接收并處理霍爾傳感元件的信號(hào)，校對(duì)東、西極限位及中間零位點(diǎn)；接收并處理硅光電池的反饋信號(hào)，對(duì)光伏板的位置進(jìn)行微調(diào)；自動(dòng)運(yùn)行模式時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行使光伏板在一個(gè)方向上正對(duì)太陽(yáng)、確定當(dāng)前系統(tǒng)的工作模式；接收主控單元的控制信號(hào)并將從控單元、電機(jī)的運(yùn)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(dòng)運(yùn)行（Autorun）、停止運(yùn)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(fù)（restart）5種模式；狀態(tài)2包括夜間模式和大風(fēng)模式兩種特殊運(yùn)行方式。當(dāng)狀態(tài)2處于夜間模式或大風(fēng)模式時(shí)，不論狀態(tài)1處于何種工作狀態(tài)，電動(dòng)機(jī)停止運(yùn)行，裝置回歸零位。
主控單元的主要功能包括：設(shè)置和保存日期、時(shí)間、經(jīng)度和緯度等參數(shù)并同步其下從控單元的日期、時(shí)間；監(jiān)視所有從控單元的運(yùn)行狀態(tài)；接收風(fēng)速傳感器的信號(hào)，并確定系統(tǒng)是否進(jìn)入大風(fēng)保護(hù)模式；計(jì)算當(dāng)天太陽(yáng)日出日落的時(shí)間，確定其工作區(qū)間，判斷是否進(jìn)入夜間模式；完成人機(jī)交互信息的處理與傳遞。
2.2 算法設(shè)計(jì)
確定太陽(yáng)的方位需要幾個(gè)重要的參數(shù)。首先是太陽(yáng)赤緯角，太陽(yáng)赤緯角是指太陽(yáng)位置的連心線與地球赤道面的交角，一年當(dāng)中，太陽(yáng)赤緯角每天都在變化，但不超過±23°27′的范圍；其次是太陽(yáng)時(shí)角，太陽(yáng)時(shí)角定義為通過太陽(yáng)的時(shí)圈對(duì)天球子午圈的角距離，如果天體在正南則時(shí)角為0°，在子午圈以西時(shí)角為正值，子午圈以東為負(fù)值。而在高度角及方位角的計(jì)算中，需要的時(shí)角為真太陽(yáng)時(shí)角，這就出現(xiàn)了時(shí)差的概念。太陽(yáng)赤緯角、真太陽(yáng)時(shí)角和時(shí)差的計(jì)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(jià)格低廉、適應(yīng)性強(qiáng)及緊湊的程序編程性而在工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在32 MHz時(shí)鐘頻率下可達(dá)到32 MIPS的指令執(zhí)行速度，并采用雙哈佛結(jié)構(gòu)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(yīng)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(hào)經(jīng)處理后直接送入DSP作為系統(tǒng)的反饋控制信號(hào)；零位的霍爾傳感器在校正零點(diǎn)時(shí)起到了非常重要的作用，零點(diǎn)校正的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行精度，東西限位的霍爾傳感器則起到了保護(hù)作用。
2.3.3 電機(jī)控制模塊
電機(jī)控制模塊的作用是驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而使光伏板旋轉(zhuǎn)到正對(duì)太陽(yáng)的位置。大部分無刷直流電機(jī)采用三相全波六狀態(tài)方式工作，需要三個(gè)霍爾位置傳感器。無刷直流電機(jī)通過改變電源電壓Us實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。在Us大小固定的條件下則是通過對(duì)Us實(shí)行脈寬調(diào)制（PWM）控制來調(diào)壓調(diào)速，對(duì)于三相橋式主電路本文采取單極性PWM控制3個(gè)上橋臂元件。如圖6所示，將霍爾傳感器輸入的信號(hào)經(jīng)DSP處理之后產(chǎn)生PWM控制信號(hào)，PWM信號(hào)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(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。
無刷直流電機(jī)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(fù)載擾動(dòng)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(dòng)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(dāng)前從控單元的編號(hào)，此編號(hào)在CAN通信中代表此臺(tái)控制器的通信ID，主控單元通過此ID判斷每個(gè)從控單元的通信狀態(tài)，其中編號(hào)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(shí)不得輸入0代表某一臺(tái)從控單元。
2.4 軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)控制流程圖如圖7所示。
3 實(shí)驗(yàn)及分析
無刷直流電機(jī)的控制模塊是太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)中的核心，故對(duì)無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，功率管選擇APM4008N的MOSFET，驅(qū)動(dòng)芯片選擇IR公司生產(chǎn)的IR2103驅(qū)動(dòng)器，其工作電壓可達(dá)600 V，柵極驅(qū)動(dòng)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(jī)功率為200 W。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)后得到如圖8、圖9所示的實(shí)驗(yàn)波形。
圖8所示的是A相的功率管驅(qū)動(dòng)波形，圖9所示為A、B兩相上橋臂PWM信號(hào)功率管驅(qū)動(dòng)波形。每一瞬間各有不同相的上、下橋臂元件導(dǎo)通，每個(gè)功率開關(guān)元件導(dǎo)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(shè)計(jì)了一個(gè)由多臺(tái)混合式單軸太陽(yáng)能跟蹤器組成的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，經(jīng)討論，該系統(tǒng)具有成本低、集中性強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于當(dāng)前市場(chǎng)中大部分單獨(dú)采用視日運(yùn)動(dòng)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(yīng)性更強(qiáng)，跟蹤精度更高。對(duì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的分析表明無刷直流電機(jī)在太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)中可實(shí)現(xiàn)高精度、高可靠性的要求。在多臺(tái)跟蹤器協(xié)調(diào)控制技術(shù)方面的研究使整個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)集中控制，在實(shí)際應(yīng)用中具有較高的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，更體現(xiàn)其先進(jìn)性，在未來太陽(yáng)能跟蹤技術(shù)的發(fā)展中具有更好、更廣闊的前景。
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