最佳倾角的单轴逐日系统设计研究

武志强 马民 路志明 刘振宇

关键词： 光伏发电; 逐日系统; 最佳倾角; 硬件; 光电检测; 驱动执行

中图分类号： TN02?34; TP33                        文献标识码： A                   文章编号： 1004?373X（2019）01?0073?06

Abstract： The problems of dust adhesion， bird droppings and meteorology may reduce the light conversion rate of the daily system， and even leads to the failure of light sensor. According to solar radiation model and optimum dip angle mathematical model， a simple sensorless daily system is designed by taking microcontroller STC89C51 as the control module， photovoltaic panel as the receiving platform， stepper motor as the movement hub， and A/D conversion module and clock module as the auxiliary modules. The photovoltaic panel in the system is used as the power generation device， and as the light sensor to assist the SCM for the judgment of the sun direction. The coordination working of each circuit in the system can avoid the installation of optical sensor. The system is used to track the sun location of all sunny days in March， July and October of Taigu County. The statistical analysis is carried out for the theoretical value and experimental value with Matlab， and it shows that the average error is less than 5%. Five sunny days in July of Taigu County are selected to track the sun location. The data shows that the system accuracy is high from 10 AM to 15 PM in a day， and the relative error is less than 2%. The system has a great significance on effective utilization and popularization of solar energy.

Keywords： photovoltaic power generation; daily system; optimum dip angle; hardware; photoelectric detection; driving execution

0  引  言

在能源日益緊缩的今天，太阳能越来越受到关注。现阶段国内外已有跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。不论是单轴跟踪还是双轴跟踪，太阳跟踪装置又可分为时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置。无论哪种跟踪方式，都必须外加光传感器，而光学传感器一般价格都比较昂贵，在使用中容易受灰尘或者其他周围环境的影响而产生误动作或影响其跟踪精度。如何解决类似问题，提高光传感器抗干扰能力，提升光能转化效率，加大光能采集利用率等已是当前逐日系统研究的主要方向。文献[1]设计了一种太阳能自动逐日系统，可检验其是否达到最大正对面积的缺陷。文献[2]以光电池为传感器，控制设备受光平面的法线与太阳光线偏角，使偏角趋于零，提高太阳能转换率。文献[3]采用SPA算法等精确太阳定位，定时跟踪。文献[4]优化了系统的太阳跟踪方式和跟踪策略，使系统装置和太阳相互交错跟踪。文献[5]使用人工神经网络训练算法与NARX架构，为逐日系统生成有功功率估算。文献[6]阐述了光谱对光伏发电系统的影响，季节性差异可达15%。文献[7]将Hay模型应用于太阳能的吸收效率中，并计算其精度。文献[8?9]计算了全国多个省份和典型城市的集热器最佳倾角。

大多数学者的研究集中在提高光电转换效率，并没有完全解决光传感器抗干扰能力较差的问题。本文优化了太阳能辐射下最佳倾角的数学模型，设计了一种简易无传感器的太阳跟踪装置，且系统各部分电路的协调工作舍去了光学传感器，实现了光伏板的逐日功能，可解决现有太阳跟踪装置价格昂贵，安装调试比较复杂，需经常维护等技术难题，保证跟踪效果达到技术要求。此外，具有原理结构简单方便，跟踪精度高，安装调试方便并且价格合理的特点，能尽快转化为生产力、形成高技术含量的产品，对推动太阳能的普及利用，拓宽太阳能的利用领域具有重要意义。

2  逐日系统组成

2.1  系统硬件组成

简易无传感器单轴逐日系统由单片机STC89C51控制模块、光电检测模块、驱动执行机构、蓄电池电源模块、控制信号输出电路等组成。无传感器单轴逐日系统结构图如图1所示。

单片机STC89C51作为整个系统的核心组成部分，负责系统的整体控制和运算。光电检测模块由光伏板、ADC0809等组成。其中，电压转换电路用于将光伏板的输出电压转换到ADC0809可以接收的电压范围;ADC0809用于检测光伏板的输出电压并将其转换成数字量;单片机STC89C51用于分析由ADC0809转换后的数字电压，根据分析结果控制步进电机的转动角度及方向;驱动执行机构由步进电机、驱动电路、传动机械装置等组成。步进电机带动光伏板转动，使其随着太阳而转动;蓄电池控制器用于控制蓄电池的充放电过程，以免其过充或过放;蓄电池用于存储光伏板发出的电能;控制信号输出电路用于对单片机发出的控制信号进行放大，使步进电机驱动电路能识别其控制信号。

2.1.1  光电检测模块 

系统的光电检测模块由ADC0809数模转换器、光伏板等组成。如图2所示，其中，U2是74LS373，用于实现数据和地址的分时传送;U3是74LS161，用于为ADC0809提供时钟信号;U4是ADC0809，用于将光伏板的输出电压转换成数字量传送给单片机处理。D1，D2，D3，[R4]组成15～20 V电压转换电路;D4～D7，[R8]组成20～25 V电压转换电路;D8～D12，[R12]组成25～30 V电压转换电路;由于光伏板在不同光照强度下的输出电压不同，使得系统根据不同的输出电压选用不同的电压转换电路，所以就必须得有转换电路的选通电路，根据需要选通不同的转换电路，所以用[R1，R2，R3]，Q1，Q7组成15～20 V电压转换电路的选通电路，[R5，R6，R7]，Q2，Q8组成20～25 V电压转换电路的选通电路，[R9]，[R10]，[R11]，Q3，Q9组成25～30 V电压转换电路的选通电路。

2.1.2  驱动执行机构

系统的驱动执行机构由步进电机及其驱动电路等组成，电路图如图3所示。

[R15]，Q11用于放大單片机P0.0口输出地方波信号，从而输送给步进电机的驱动电路;[R16]，Q12用于放大单片机P0.1口输出的电机转向信号，从而输送给步进电机驱动电路用于控制电机转向;Q4，Q10，[R13，R14]用于放大单片机P0.2口的输出信号，从而驱动继电器K1，K2的吸合;当K1吸合时，使U9（12～24 V升压器）的输入端与蓄电池接通，从而使步进电机驱动器的电源接通;当K2吸合时，使光伏板正极与电压转换电路接通，系统开始进行电压检测并控制电机转动。

2.2  系统流程

简易无传感器单轴逐日系统软件设计包括数据存储、数据发送与接收、步进电机的驱动调控等主要程序。系统流程图如图4，图5所示。

图4中数据寄存器设定初始值[A=50]，方向寄存器flag=0时为顺时针转动，flag=1时为逆时针转动。图5为逐日系统整体流程图。ADC0809对光伏板的输出电压进行检测并将其转换成数字量输送给单片机。单片机对电压值进行分析处理后对其进行存储并控制步进电机转动一定角度，此时ADC0809再对这时的电压值进行转换，单片机再对其进行分析存储，并将此值与上次电压值进行比较，若这次的值比上次的值大，表明太阳在这个转向的下方向，这时单片机控制步进电机继续朝着这个方向转动同一个角度，再进行转换存储和比较，直到后一个值比前一个值小时表明光伏板已转过太阳所在方向，这时单片机控制步进电机反向转过同一个角度则使光伏板朝向太阳所在方向;若这次的值比上次的值小，表明太阳在这个转向的逆方向，则单片机控制步进电机朝着相反的方向转动同一个角度，再进行转换存储和比较，重复以上步骤，直到光伏板朝向太阳所在方向为止。

3  系统验证

利用上文中太阳直射北半球夹角计算公式算出的结果为理论值，利用天文观测软件SkyMap计算所得结果为参照值，以逐日系统当时所处角度为实验值，三个值进行对比分析，验证逐日系统的精度和准确性。

选取山西晋中地区太谷县（东经112.53°，北纬37.42°）一年中春、夏、秋的三个代表月;3月、7月、10月三个月的全晴天的代表日，即3月16日，7月17日和10月15日。选取其中每日7：00—18：00为跟踪测量时间，测量逐日系统的倾角实际值作为实验值，与理论下北半球正午太阳直射下的角度、观测软件的计算值进行比较分析。

图6～图8为3月份、7月份、10月份太谷全晴天的太阳高度理论值、实际值和软件的计算值。其中，实点为理论值，圆圈为实际值，叉点为软件计算值。

在3月份、10月份18：00以后太阳落山，倾角在0°以下，在正午时太阳高度达到最大值。7月份的太阳高度角同样是正午时太阳高度达到最大值且高于3月份、10月份。实验值和理论值、软件计算值误差角度在0.1°～1°之间。由于在3月和10月，18：00以后太阳日落时角小于0°，太阳高度角小于0°，图中用0°表示。可以看出7月份逐日系统的倾角实际值与理论值误差最小。

为进一步确定误差范围和精确逐日系统跟踪时效，选取7月中旬连续5个晴天下的太阳作为跟踪对象，同样选取7：00—18：00时间段。现实验值、理论值、标准偏差和相对误差如表2所示。

表2中，[T]为时间点，[X]为理论值，[Y1～Y5]为实验值，AVY表示平均值，SD表示标准偏差，RT表示相对误差。从表2中可以看出，在10：00—15：00时间段内，逐日系统倾角角度相对误差较小，低于0.005°。在这段时间内系统跟踪精度较高，光转换效率最大。

通过上述实验，证明了本文设计的逐日系统在春、夏、秋季白天光伏板跟随太阳转动的角度与理论值和仿真值误差较小，系统内基于单片机的光电检测系统和控制系统能较准确地引导步进电机转动，高效的转换电能。

4  结  论 

本文基于太阳辐射模型和最佳倾角的模型，设计了单轴逐日系统并进行验证分析，设置的简易无传感器单轴逐日系统中光伏板既作为发电装置使用同时也作为光传感器来辅助单片机判断太阳方向，从而取代现有逐日系统中的光传感器。由于光伏板身受光面积较一般光传感器大，所以其可以较好地反映太阳方向，省去了在安装传感器时安装方位对跟踪精度的影响，从而大大简化了逐日系统的安装调试过程，降低了安装成本。对逐日系统的发展具有一定的实践和科学意义。

注：本文通讯作者为刘振宇。

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