引言

開發新能源和可再生能源是全世界面臨的共同課題，太陽能發電已成為全球發展速度最快的技術。在新能源中，光伏發電是最具可持續發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、可持續利用等特點，成為各國競相發展的重點。但光伏發電成本過高是長期制約其高速發展的主要問題，其解決途徑之一便是提高發電系統的發電量，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電成本的目的。

相關理論分析表明：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，傳感器發出偏差信號，經放大、運算后控制執行機構，使跟蹤裝置重新對準太陽光。這種跟蹤方式的優點是靈敏度高；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。

（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

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，我國區域的時差確定如下：

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γs《0°。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：

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）控制系統核心部件plc

可編程邏輯控制器plc［6］是太陽能跟蹤系統的核心部件，系統采用結構緊湊、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能夠監視輸入狀態，改變輸出狀態，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控制，能發揮plc現場總線的控制優勢進行集中控制。

（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，適合惡劣環境工作等特點。

（5）控制系統硬件電路的設計

實現x-y二維聚光發電伺服跟蹤系統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。

在一天的整個過程中，跟蹤器獲得最優的俯仰角和方位角，電池板接收到最大太陽日輻射量。系統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。光伏跟蹤系統設計采用了開環程序控制方式，避免了偶爾云層遮擋太陽能伺服跟蹤系統造成的干擾。首先用一套公式通過上位機plc算出在給定時間太陽的位置，即實際時刻太陽所在高度角和方位角，再計算出跟蹤裝置被要求的位置，這個位置乘以相關比例系數得到高度角和方位角電機所需的脈沖數，最后通過電機轉動裝置達到要求的位置，實現對太陽高度角和方位角的跟蹤。跟蹤系統結構圖如圖1所示。

利用逆變器能夠將光伏電池產生的直流電轉變為交流電，進而直接輸送到電網上。在白天有日照的情況下，光伏電池會將大部分的能量輸送到電網上，而到了晚上光伏電池裝置會自動與電網斷開。

本文所設計跟蹤調整裝置其結構如圖2所示。它主要由底座、立軸、橫軸、兩臺伺服電機、傳動齒輪副、絲桿導軌等組成。其中伺服電機a驅動傳動齒輪副，使傳動齒輪副驅動立軸，令其跟蹤太陽方位角的變化；伺服電機b驅動絲杠導軌，支撐太陽能電池板繞橫軸作俯仰動作，以跟蹤太陽高度角的變化。

控制系統的實現取決于兩方面：

①電機控制部分和驅動部分；

②風速傳感器。對于電氣控制部分和驅動部分，我們選擇相對領域有優勢廠商的部件，尤其考慮到運行溫度范圍和環境。運行溫度范圍是－25℃到55℃。

跟蹤器的運行狀態可傳送給監測臺。不僅監測還可遠程控制達到穩定。在系統的擴展和配置設計中，應遵循以下原則：

①盡可能選擇典型電路，為硬件系統的標準化、模塊化打下基礎。

②系統的擴展與外圍設備配置的水平應充分滿足應用系統的功能要求，并留有適當余地，以便進行二次開發。

③硬件結構應結合應用軟件方案一起考慮。

④系統中相關器件要盡可能做到性能匹配。

系統軟件設計

跟蹤模式的判斷過程完全由軟件實現， 靈活度很高， 可以針對不同的地區和不同的氣候進行調整，盡量提高光伏電站的發電效率。還可以根據需要，增加光強傳感器、風力傳感器等多種傳感裝置。圖3為跟蹤控制系統程序流程圖。

風速傳感器響應中斷子程序是有大風來時，plc接受到風速傳感器的高速脈沖，達到規定的脈沖數響應中斷，太陽電池板放平以保護電池板組件。圖4為大風中斷子程序框圖。

太陽能電池板有兩個自由度， 控制機構將分別對x、y 兩方向進行調整。當電池板轉到盡頭時，由于跟蹤裝置裝了限位觸感器，到限位觸點時自動切斷脈沖輸出，電機停止動作，起硬件保護作用。

結論

本文介紹了雙軸伺服太陽能自動跟蹤系統能自動檢測晝夜，實時跟蹤太陽。以歐姆龍plc作為控制器，計算出太陽的實時位置轉化為脈沖發送給伺服驅動器，驅動電機轉動跟蹤裝置跟蹤太陽，因此使得該自動跟蹤系統的準確性高、可靠性強。即使是在天氣變化比較復雜的情況下，系統也能正常工作，提高太陽能的利用效率。如果應用于太陽能電池板，則可將電池板輸出的直流電逆變為交流電，直接獲取電能，而無需另外輸入能量。

責任編輯：gt