黄曦帆
信息产业电子第十一设计研究院科技工程股份有限公司 江苏 无锡 214072
摘要：随着我国经济的高速发展，我国各行各业也呈现出良好的发展趋势。太阳能的能源动力相当的巨大，其所能产生的能源动力也是可以循环使用的，但是目前来看太阳能的利用效率远远不够，其根本没有得到很好利用，其主要的原因正是由于采集这些能源的技术不够成熟，因此，对于太阳能的利用效率就比较低下，所以，本文就是研究如何更好的提升太阳能的利用效率，首先自动跟踪系统的基本原理及相关应用，以便能够最大限度的提升太阳能的利用效率，最终能够实现太阳能资源的广泛使用。
关键词：自动跟踪；太阳能；光伏发电
引言
随着世界经济的迅速发展，人类对于能源的需求量越来越大，这使得不可再生能源（煤、天燃气等）变得日益短缺。当前，世界各国对于新的可再生能源的研发重视程度日益提高，太阳能作为绿色无污染能源且具有适合长期可持续发展的独有优势受到人们热捧。我国幅员辽阔，具有丰富的太阳能资源，提高太阳能的利用率，可为我国经济的可持续发展提供强有力的动力支援。当前，如何提高太阳能的接收效率成为研发的重点。
1太阳能光伏自动跟踪系统的定义和特征
根据太阳能光伏自动跟踪系统基本功能，其定义如下:指在太阳有效光照时间内，能使太阳光线始终垂直照射到太阳能光伏组件的阵列面上，使光伏组件在有效光照时间内都能最大限度地获取太阳能的装置系统。该系统的最主要部分通常由控制部件和转动调级部件组成。控制部件的作用是将太阳即时位置坐标参数直接或间接输出给转动调级部件。转动调级部件的主要作用是将控制部件给出的信号经过调级处理或分解后用于驱动光伏组件的阵列面始终与太阳光线垂直。
2太阳能光伏自动跟踪系统的控制类型
当前的太阳能光伏自动跟踪系统的控制类型还是比较单一的，根据跟踪的原理的差异性，主要有2种跟踪方式，一种是被动跟踪，即按依据论太阳运动轨迹的跟踪，另外一种是主动跟踪，即采用的光电感应的跟踪方式。太阳运动轨迹跟踪方式对于太阳运动的跟踪，是依据天文算法计算出太阳能光伏系统所在位置任意时刻的太阳高度角和方位角，然后根据系统自身的几何特征，计算出该时刻的跟踪角度。常用的天文算法有美国国家可再生能源实验室（NREL）的SolarPositionAlgorithm(SPA)，该算法的不确定达到±0.0003°。自动跟踪系统在计算出跟踪角度后，控制太阳能光伏方阵的驱动系统，将光伏方阵调整到垂直于太阳入射光。该种方式输入参数为光伏方阵的位置和时间，由于是开环系统，当光伏方阵的位置或时间任意一个输入参数错误的时候，自动跟踪系统也会按照计算的错误角度控制驱动系统跟踪。因此该种类型的自动跟踪控制系统，必须要定时校准自身的位置和时间信息。第二种的跟踪方式是采用一种偏差的跟踪，通过某种太阳位置传感器，通常采用光敏传感器，判断当前光伏方阵相对于太阳入射光的偏差方向，主动调节系统的跟踪角度。由于是有太阳位置传感器作为闭环反馈，这种跟踪更为精确。但是该种控制系统受天气的影响较大，由于太阳位置传感器在多云天等太阳直射光分量较少的情况下，难以判断光伏方阵和太阳入射光的偏差方向。另外，由于光敏传感器处在恶劣自然环境中，易受灰尘、积水等因素的影响，使电信号发生变化，导致跟踪信号不稳定。因此更多的跟踪系统会同时结合天文算法的被动模式。目前大多数光伏跟踪控制系统采用的是第一种方式。
3自动跟踪式独立太阳能光伏发电系统设计
3.1自动跟踪系统的整体设计
光伏发电自动跟踪系统在独立性、连续性、高效性和稳定性等方面均有较高的要求。因此，本设计的主要技术指标有：跟踪精度在±3左右；水平运行角度为0°-360°，垂直运行角度为0°-90°；输出交流电压精度为(220±3%)V；输出直流电压精度为(5±1%)V；光伏电源逆变效率为85%。系统以计算机为控制核心，采用光电跟踪和太阳运行轨迹追踪相结合的方式，控制步进电机进行转动，实现对太阳的跟踪。其中，利用光电检测模块检测太阳在天空中的方位以及当前环境中光线的强弱，结合太阳运行轨迹跟踪模块计算出太阳高度角和方位角的理论值，计算机根据相应的结果进行天气判断和光电跟踪，从而驱动执行机构两个步进电机进行运动。步进电机采用二维自动跟踪装置来控制太阳电池板做水平旋转和俯仰运行，以实现对太阳的跟踪。在整个设计中，利用光强检测传感器进行天气判断和光电跟踪，根据基于地平坐标系的高度角-方位角的天文经验公式，计算出特定时刻、特定地点太阳高度角和方位角的理论值是重点内容。
3.2光电跟踪设计
太阳光的强弱可以通过光敏管对其进行感应，通过将两个光敏管安装在光伏电池的两个对应点上，假如光伏电池板接收太阳光的照射后，其产生的电能在预计的电能数值偏差规定的阈值内，则表明当前的光照效果良好，无需进行电池板的转动。随着时间的推移，太阳的运动轨迹发生了变化，光伏电池产生的电能逐渐减弱，使得产生的电能与预计产生电能之间的误差变大。此时，光敏管检测到的电信号被放大电路放大，并启动自动定位控制装置，带动电池板进行转动，使电池板重新与太阳光的方向保持垂直状态。光电跟踪的设计相对简单，最大的不足是易受到天气因素的影响，当晴天时，可以很好地完成跟踪效果。但当天气恶化时，特别是白天，太阳长时间地被乌云遮挡，此时太阳能电池板产生的电能变弱，而光敏管由于没有光照，故无法正常启动定位控制装置。两种跟踪方式都有其各自的优点和不足，为了更好地完成自动跟踪太阳的功能，将两种跟踪方式进行有效的结合。当光敏管可以有效地接收到电信号时，说明当天的天气情况很好，采用光电跟踪方式；相反，则说明天气情况恶劣，则采用太阳运动轨迹跟踪方式。这样，无论在什么样的天气环境下，太阳能电池板都能够最大效率地工作。
3.3光伏电源系统的软件和硬件设计
在光伏电源系统当中，整个系统的硬件设计和软件设计都是要按照系统的规定安排的，在整个系统当中的硬件设计主要包括太阳方位监测模块、光强监测模块、数据采集模块、计算机控制模块、外部时钟模块、光伏电源模块的设计等等，然而在这些模块的设计过程中，具有象限间隙较小、相应快速、低暗电流、高分流电阻和高精度的特点，因此我们在设计的过程中必须要按照系统严格的参数进行详细的计算，最终根据这些数据信息得出相关参数的关系，进行对比。另外我们还要考虑到系统硬件设备的设计，这就需要考虑到独立型太阳能光伏电源系统中的充电和放电控制器，其中相关的是控制器、逆变器和蓄电池的各种参数，主要就是这些用电设备的选型问题，其中最为常见的就是工作电压为24V的蓄电池，根据电源系统中各种设备容量的计算问题，仔细合理的进行设备的选型，最终才能确定设备之间相关的连接方式，只有这样才能确保系统的顺利运行。
结语
本文对太阳能光伏发电自动跟踪控制系统进行了研究，当前太阳能发电已经受到人们越来越多的重视。如何最大效率地发挥出太阳能电池板的功能，是提高资源利用率的有效途径之一。在自动跟踪系统中，优化跟踪控制方式和多任务控制系统，可更加有效的提高太阳能光伏电池板的发电效果。
参考文献
[1]王瑜.双轴太阳能光伏发电自动跟踪系统可靠性研究[D].陕西理工学院,2018.
[2]刁颖.光伏系统发电效率提升方法的研究[D].东北石油大学,2019.
[3]曾珍珍.光伏发电系统最大发电量的智能控制[D].东华大学,2019.