光伏发电双轴逐日跟踪系统设计与实现
2022年电子技术应用第4期
刘伯明1，张庆海2，赵正旭2
1.石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄050043； 2.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛266525
摘要： 为提高太阳能板的光电转化率，采用自动跟踪和人工调节两种模式相结合的方式，设计了一种以STC12C5A60S2单片机为控制核心的光伏发电双轴逐日跟踪系统。人工模式分为人工按键控制和无线远程控制模式；自动模式又分为光电跟踪和视日运行轨迹跟踪模式，两者通过阴晴检测电路判断阴天或者晴天。阴天时，系统利用DS1302时钟芯片结合Super Pairwise Alignment算法，计算实时太阳高度角和方位角，并通过控制步进电机，实现视日运动轨迹跟踪。晴天时，系统利用光电传感器采集的四个方向的光强差值，驱动步进电机，实现光电跟踪。实验表明：系统在混合控制策略下，受天气影响小，跟踪精确高，提高了光电转化率。
中图分类号： TP273+.3
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211862
中文引用格式： 刘伯明，张庆海，赵正旭. 光伏发电双轴逐日跟踪系统设计与实现[J].电子技术应用，2022，48(4)：127-131.
英文引用格式： Liu Boming，Zhang Qinghai，Zhao Zhengxu. Design and implementation on dual-shaft daily tracking system for photovoltaic power generation[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：127-131.
文献标识码： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.211862
中文引用格式： 刘伯明，张庆海，赵正旭. 光伏发电双轴逐日跟踪系统设计与实现[J].电子技术应用，2022，48(4)：127-131.
英文引用格式： Liu Boming，Zhang Qinghai，Zhao Zhengxu. Design and implementation on dual-shaft daily tracking system for photovoltaic power generation[J]. Application of Electronic Technique，2022，48(4)：127-131.
Design and implementation on dual-shaft daily tracking system for photovoltaic power generation
Liu Boming1，Zhang Qinghai2，Zhao Zhengxu2
1.School of Information Science and Technology，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China； 2.School of Mechanical & Automotive Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266525，China
Abstract： A dual-axis daily tracking system for photovoltaic power generation using STC12C5A60S2 single-chip microprocessor as the controlling core is developed to increase the photoelectric conversion rate of photovoltaic cells by combining two modes of automated tracking and manual adjustment. The manual mode has two modes: manual button control mode and wireless remote control mode; the automated mode has two modes: photoelectric tracking mode and day-dependent trajectory tracking mode. The cloudy and sunny detecting circuit is employed between the two modes to identify whether the weather is cloudy or sunny. When it is cloudy, the system calculates the real-time solar altitude and azimuth angle using the DS1302 clock chip and the super pairwise alignment(SPA) algorithm, and then tracks the sun′s course using the stepper motor. To perform photoelectric tracking on a sunny day, the system leverages the light intensity difference in the four directions acquired by the photoelectric sensor to drive the stepping motor. Experiments demonstrate that the hybrid control technique reduces weather effects, improves tracking accuracy, and increases photoelectric conversion rate.
Key words : dual-shaft daily tracking system；photoelectric tracking；day-dependent trajectory tracking；cloudy and sunny detection circuit
0 引言
为了获取足够的生存能源，人类对自然界和未知环境的能源探索从未间断过。光伏发电作为一种新能源的利用方式，为解决日益严峻的能源紧缺问题提供了方向[1-2]。目前光伏发电跟踪装置主要分为单轴跟踪与双轴跟踪装置两种[3-5]。相较于单轴跟踪装置，双轴装置的跟踪精度较高，但由于传统的双轴跟踪装置的跟踪策略单一，造成跟踪精度不高、光电转化率低和装置应急性能不足等问题。常见的光电跟踪策略受天气影响大；视日运动轨迹跟踪策略跟踪精度不高，存在阴天情况下耗能大、断电重启时钟时间重置等不足[6-8]。因此，如何优化跟踪控制策略，提高跟踪精度，使太阳能板始终保持最佳吸收太阳能的倾角，增加光电转化效率成为当前的主要研究热点。文献[9]通过对光传感器改进，提出了一种高精度的太阳跟踪控制装置。文献[10]通过优化太阳辐射吸收的最佳倾角数学模型，设计出跟踪效果较高的单轴逐日系统。文献[11]在Lab/CVI环境下开发了一种基于TCP传输协议的逐日系统，利用上下位机和TCP/IP协议交互数据，实现了光伏发电和远程监测的逐日系统。文献[12]提出将EtherCAT总线应用到逐日系统控制中，实现了对逐日装置的群控。文献[13-14]研究了光伏发电最大功率点跟踪算法，对光伏发电效率进一步提高。
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作者信息：
刘伯明1，张庆海2，赵正旭2
(1.石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄050043；
2.青岛理工大学 机械与汽车工程学院，山东 青岛266525)
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