【正文】 電池的輸出電流，從而引起太陽能電池的輸出電壓變化，檢測太陽能電池輸出電壓及輸出電流，計算出太陽能電池陣列的輸出功率，然后根據(jù)最大功率點(diǎn)跟蹤策略尋找最大功率點(diǎn)的位置?！　　　?三點(diǎn)比較法 　　　　三點(diǎn)比較法是指通過不斷調(diào)整電壓步長△U對最大功率點(diǎn)進(jìn)行判斷和控制，最后利用閾值△U判斷是否達(dá)到最優(yōu)點(diǎn)。具體是在光伏電池PU特性曲線峰值點(diǎn)附近從左到右依次取A、B、C三個點(diǎn)的電壓和功率，然后用三個點(diǎn)的功率比較結(jié)果來調(diào)整PWM，從而實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。該方法有以下四個特點(diǎn):　　　　(1)算法本身就能夠準(zhǔn)確快速地跟蹤到最大功率點(diǎn)?！　?2)避免了在最大功率點(diǎn)附近因擾動造成的功率損失，但是在三點(diǎn)比較過程中，由于每次比較均需要先采集三個點(diǎn)的電壓和功率，而在采集期間系統(tǒng)并沒有工作在最大功率點(diǎn)，造成了功率的損失，因此在找到了最大功率點(diǎn)后，應(yīng)該間隔比較長的時間再進(jìn)行三點(diǎn)比較，　　(3)算法的復(fù)雜性決定了需要處理大量數(shù)據(jù)，對硬件系統(tǒng)的性能提出了較高要求?！　?4)當(dāng)光強(qiáng)發(fā)生突變時，不能盲目移動工作點(diǎn)，需待日照量穩(wěn)定后再追蹤?！　　　∮捎谌c(diǎn)比較法采用軟件控制，算法中把Pa≥Pb且Pb≤Pc這種情況(即天空有云遮擋)歸入了系統(tǒng)已達(dá)到最大功率點(diǎn)的情況，兩者做同樣處理:不跟隨日照量的快速改變而盲目調(diào)整工作電壓，避免了系統(tǒng)過快的振蕩。此種處理會造成一小部分功率損失，但相對于換來整個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)是值得的:假設(shè)原來系統(tǒng)處于最大工作電壓Umax1上，檢測到的相應(yīng)電流為Imax1，日照突變后應(yīng)達(dá)到的最大工作電壓為Umax2，相應(yīng)電流為Imax2，則系統(tǒng)不移動工作點(diǎn)造成的功率損失為P=Pmax2Pmax1=Umax2Imax2Umax1Imax1，由于太陽很快恢復(fù)到原來的日照量，沒改動的Umax1又成為最大工作電壓，系統(tǒng)恢復(fù)原先穩(wěn)定狀態(tài)。這個過程以不變應(yīng)萬變，避免了登山法對Pmax的誤判以及來回振蕩現(xiàn)象?！　　　?可調(diào)步長的登山法　　　　登山法是目前實(shí)現(xiàn)MPPT最常用的方法之一。其原理是每隔一定的時間增加或減少電壓，并觀測其后的功率變化方向，來決定下一步的控制信號。在本系統(tǒng)的硬件環(huán)境下，通過實(shí)驗驗證，在登山法設(shè)定步長相同的情況下，最大功率點(diǎn)所工作的占空比越大，那么功率的波動幅度就會越大，即功率的損失越大。因此，步長值的設(shè)定應(yīng)該隨著占空比的增大而減小，這樣就會使在最大功率點(diǎn)附近的功率損耗達(dá)到最低，從而實(shí)現(xiàn)了可調(diào)步長的登山算法?！　　　】烧{(diào)步長登山法的優(yōu)點(diǎn)如下:　　　　(1)跟蹤方法簡單，實(shí)現(xiàn)容易，　　(2)可調(diào)步長的登山法雖然也是在光伏陣列最大功率點(diǎn)附近振蕩運(yùn)行，但是功率的損失已經(jīng)盡可能地減小，　　(3)對傳感器精度要求不高。　　　　缺點(diǎn)如下:　　　　(1)步長對跟蹤精度和響應(yīng)速度無法兼顧，步長大，跟蹤速度快，但是在最大功率點(diǎn)附近功率輸出擺動大。步長小則跟蹤速度慢，但是輸出能更好地靠近最大功率點(diǎn)。　　(2)在特定情況下會出現(xiàn)判斷錯誤?！　　　?三點(diǎn)登山法　　　　通過以上對三點(diǎn)比較法與登山法的原理分析，本文提出了采用將三點(diǎn)比較法與可調(diào)步長的登山法相結(jié)合的方式來進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤，此算法稱為三點(diǎn)登山法。此結(jié)合方法有如下特點(diǎn):　　　　(1)當(dāng)檢測到功率為零時，能自動搜索功率不為零的最大功率點(diǎn)?！　?2)三點(diǎn)比較法能快速地找到最大功率點(diǎn)的大體位置，相當(dāng)于粗調(diào)?！　?3)登山法可以實(shí)時地進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，相當(dāng)于微調(diào)。　　(4)在功率變化過快的位置，將步長縮小。在功率變化過慢的位置，將步長放大，這種隨功率變化而自動改變的步長更能準(zhǔn)確地進(jìn)行最大功率點(diǎn)的跟蹤，并且能夠在天氣突然變化的情況下自動找回最大功率點(diǎn)，從而保證對最大功率點(diǎn)的跟蹤不會丟失?！　?5)當(dāng)蓄電池的充電電壓過大時，會縮短蓄電池的壽命，因此利用軟件編程使蓄電池在此時轉(zhuǎn)入到浮充階段，通過AD采樣蓄電池兩端電壓，然后將電壓與所設(shè)定的上限電壓值比較，如果超過上限值，則通過改變BUCK充電電路的PWM占空比來減小蓄電池電壓。 在光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，最大功率點(diǎn)跟蹤算法對充電效率起著非常重要的作用能快速地找到最大功率點(diǎn)，而且也能根據(jù)天氣的變化做出相應(yīng)的調(diào)整，體現(xiàn)了系統(tǒng)高效率的特點(diǎn)。由于三點(diǎn)比較法對硬件有著比較高的要求，三點(diǎn)登山法通過減少三點(diǎn)比較法的次數(shù)，并用登山法的簡單易用性減少了對硬件的依賴度，從而也突出了低成本的特點(diǎn)?！　　∪c(diǎn)登山法不僅充分地提高了光伏轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的充電效率，而且大大降低了系統(tǒng)的成本。7. 陽光跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計太陽能作為一種可再生能源, 具有清潔、安全、壽命長的優(yōu)點(diǎn), 但也存在太陽光的密度低、空間分布不斷變化、輻照時間間歇性等缺點(diǎn), 因此收集和利用的難度較大、成本較高。理論分析表明: 太陽的跟蹤與非跟蹤, 能量的接收率相差37. 7% [ 1] , 因此進(jìn)行高精度的太陽跟蹤是很有必要的。高精度太陽光跟蹤裝置可使接收器的熱效率大大提高, 進(jìn)而提高了太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽能利用率, 拓寬太陽能的利用領(lǐng)域[ 2??3] 。為提高太陽能利用率, 筆者研究設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的太陽跟蹤裝置, 該控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)各種天氣情況下的高精度的太陽實(shí)時跟蹤, 具有極高的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。1跟蹤控制系統(tǒng)的方式及其特點(diǎn)在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中, 常見的跟蹤控制方式為光電跟蹤和視日運(yùn)動軌跡跟蹤, 目前國外已建成的太陽能發(fā)電站中多采用視日運(yùn)動軌跡跟蹤控制方式。1. 1視日運(yùn)動軌跡跟蹤視日運(yùn)動軌跡跟蹤原理: 計算機(jī)先根據(jù)天文學(xué)中太陽運(yùn)行規(guī)律的公式計算出一天內(nèi)某時刻太陽高度角和方位角的理論值, 然后運(yùn)行控制程序調(diào)整定日鏡裝置的高度角和方位角, 完成對太陽的實(shí)時跟蹤。此類跟蹤控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡單、不受天氣影響、可靠性強(qiáng), 缺點(diǎn)是在計算太陽角度的過程中會產(chǎn)生累積誤差, 而且其自身無法消除, 需要定期校正。1. 2光電跟蹤光電跟蹤原理: 由于一天之中, 太陽位置不斷改變, 太陽光照強(qiáng)度的變化引起光電轉(zhuǎn)換器輸出電信號的改變。將電信號的變化進(jìn)行分析、判斷、處理, 用以驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)以改變跟蹤裝置位置, 達(dá)到準(zhǔn)確聚集太陽光的效果。此跟蹤控制的優(yōu)點(diǎn)是跟蹤精度較高, 缺點(diǎn)是當(dāng)出現(xiàn)多云天氣時, 感光元件在稍長時間段接收不到太陽光, 可能導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)的控制失效, 甚至引起執(zhí)行機(jī)構(gòu)的誤操作, 從而影響跟蹤精度。1. 3光電跟蹤與視日運(yùn)動軌跡互補(bǔ)模式互補(bǔ)跟蹤原理: 在晴朗天氣, 太陽輻照度較強(qiáng)。采用光電傳感器跟蹤模式。 在陰雨天氣, 當(dāng)太陽光線較弱時, 采用太陽運(yùn)行軌跡跟蹤模式。兩種跟蹤控制方式具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性, 目前普遍采用的兩種跟蹤方法相結(jié)合的方式是將兩種跟蹤方法在不同天氣情況下進(jìn)行相互切換。這種跟蹤方式既可最大限度地避免外界的干擾, 又可修正計算中的累積誤差, 提高自動跟蹤裝置的可靠性, 實(shí)現(xiàn)了高精度、全天候的太陽自動跟蹤。2跟蹤控制系統(tǒng)硬件組成太陽跟蹤控制系統(tǒng)由MC9S08JM60、電源電路、光電傳感器、信號調(diào)理電路、顯示電路、步進(jìn)電機(jī)、按鍵電路、DS1302 電路、JTAG 接口調(diào)試電路、RS232等模塊組成, 系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。工作原理: 由MC9S08JM60電路循環(huán)檢測, 通過光電傳感器所采集的信號判斷工作模式, 晴天時選擇光電跟蹤模式, 反射太陽光線投射到光電傳感器上輸出4路微弱的電流信號經(jīng)過運(yùn)放電路后, 輸出4路電壓信號, 輸入給MC9S08JM60, 經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后,給出控制信號實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的高位角和方位角的旋轉(zhuǎn)跟蹤, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對太陽的高度角和方位角的實(shí)時精確跟蹤。陰雨天時選擇視日運(yùn)動軌跡跟蹤, 通過DS1302讀取當(dāng)前的時間, 根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)緯度(由GPS測得), 以及太陽高度角和方位角的計算公式計算當(dāng)前太陽的高度角和方位角, 由MC9S08JM60輸出控制信號實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的高位角和方位角的旋轉(zhuǎn)跟蹤, 實(shí)現(xiàn)全方位、高精度的太陽自動跟蹤。2. 1控制器選用MC9S08JM60為控制核心。MC9S08JM60單片機(jī)是一款具有先進(jìn)RISC 結(jié)構(gòu)的低功耗、高性能的8位AVR 微處理器。它具有131條指令, 大多數(shù)指令可以在一個時鐘周期內(nèi)完成, 2個具有獨(dú)立預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時器/計數(shù)器,一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16位定時器/計數(shù)器, 具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時計數(shù)器RTC, 4 通道PWM, 8路10位的ADC, 8個單端通道, 2個具有可編程增益的差分通道, 2個可編程的串行USART, 可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口, 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器等功能模塊[ 10] 。MC9S08JM60的工作電壓在4. 5 V ~ 5. 5 V, 該控制器可采用單片機(jī)內(nèi)部的A /D 采樣、PWM 通道、I2 C 接口等功能模塊, 從而簡化程序編程?？刂破髦饕瓿煽刂颇Ｊ竭x擇與切換、太陽方位角和高位角信息與處理、定時、計數(shù)、中斷程序處理、步進(jìn)電機(jī)動作等控制。2. 2光電檢測電路光電傳感器主要是由5片性能參數(shù)一致的光敏元器件組成, 其結(jié)構(gòu)如圖2 所示, 4 個光敏元器件( AABB2 )成十字形封裝在圓筒底部, 圓筒頂部封裝有凸透鏡。圓筒的長度對跟蹤精度有一定的影響。一般來說, 圓筒越長跟蹤精度越高, 但其所能檢測的太陽光偏離角度的范圍卻越小。因此, 應(yīng)該合理選擇圓筒的高度, 實(shí)驗中圓筒高度為82mm, 圓筒高度可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。東西方向上的2個光敏元器件( AA2 )用來檢測太陽方位角的變化。南北方向上的2個光敏元器件( BB2 )用來檢測太陽高度角的變化。中心光敏元器件O用于探測光強(qiáng), 為跟蹤方式切換提供依據(jù)。其工作原理為: 入射太陽光線經(jīng)過定日鏡面反射,當(dāng)反射太陽光線垂直穿過光電傳感器時, A1 和A2 接受的反射太陽光線輻射強(qiáng)度相同, 這時對應(yīng)的輸出信號電壓差小于某一規(guī)定值, 步進(jìn)電機(jī)不運(yùn)行。當(dāng)反射太陽光線偏離傳感器垂直位置時。光斑偏移, 從而使A1 和A2 接受的反射太陽光線輻射強(qiáng)度不同, 輸出電壓差信號發(fā)生變化。若輸出的是較大的正電壓信號,經(jīng)運(yùn)算放大器比較后通知單片機(jī)發(fā)出控制指令, 使步進(jìn)電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)某一角度直至反射太陽光線垂直穿過光電傳感器。 反之, 若輸出的是較大的負(fù)電壓信號, 單片機(jī)指令步進(jìn)電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)某一角度, 直至反射太陽光線垂直穿過光電傳感器。同理, 由B1 和B2 監(jiān)測到的信號比較后, 傳遞給控制器, 由它決定相應(yīng)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動角度。對于10位精度的A /D 轉(zhuǎn)換, 若輸入信號電壓為4. 9 V, 光敏元器件距凸透鏡的距離為75mm, 則通過計算得跟蹤精度??為22 。光電跟蹤裝置理論上跟蹤精度達(dá)到22 , 能夠?qū)μ柕母叨冉呛头轿唤沁M(jìn)行精確跟蹤。光電檢測電路中用一個光敏元器件O 來檢測太陽光的強(qiáng)弱, 用一組運(yùn)算放大器來做比較電路, 運(yùn)算放大器的輸出端連接到單片機(jī), 由此來判斷是晴天還是陰雨天氣, 為采用哪種跟蹤方式提供依據(jù)。其工作原理: 當(dāng)太陽光的強(qiáng)度不足以使電路中的光敏元器件導(dǎo)通時, 經(jīng)過比較電路之后, 運(yùn)算放大器輸出低電平, 說明陰雨天。 當(dāng)太陽光的強(qiáng)度足以使電路中的光敏元器件導(dǎo)通時, 經(jīng)過比較電路之后, 運(yùn)算放大器輸出高電平, 說明是晴天, 如圖3所示。3跟蹤控制系統(tǒng)軟件設(shè)計開機(jī)后系統(tǒng)首先判斷是否在所預(yù)設(shè)的工作時間范圍內(nèi)( 7: 00~ 17: 00) , 若不在預(yù)設(shè)的工作時間范圍, 則不啟動任何跟蹤, 若在預(yù)設(shè)的工作時間范圍內(nèi), 則首先啟動視日運(yùn)動軌跡跟蹤。計算當(dāng)前時刻的太陽高度角和方位角, 通過調(diào)整跟蹤裝置使其運(yùn)行到當(dāng)前時刻的太陽高度角和方位角位置, 然后根據(jù)中心光敏元器件O的輸出電壓UO 大小來判斷光強(qiáng)電壓是否達(dá)到光電跟蹤的范圍, 如果達(dá)到光電跟蹤的光強(qiáng)時啟動光電跟蹤, 如果沒有達(dá)到光電跟蹤時的光強(qiáng), 則繼續(xù)采用視日運(yùn)動軌跡跟蹤。當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)設(shè)停止時間后, 進(jìn)行系統(tǒng)初始化, 跟蹤裝置回到基準(zhǔn)位置。系統(tǒng)流程圖如圖4所示。4 實(shí)驗測試用2個參數(shù)相同的太陽能跟蹤裝置, 1 塊安裝有設(shè)計的跟蹤控制系統(tǒng), 另一塊調(diào)至最佳傾角固定安裝。分別測試2塊太陽能跟蹤裝置的太陽光照強(qiáng)度, 其對比曲線如圖圖6所示由采樣光強(qiáng)曲線可以看出: 采用跟蹤控制系統(tǒng)后較固定式安裝的太陽輻照量明顯增加, 經(jīng)計算約提高32。5 結(jié)束語該太陽跟蹤控制器以MC9S08JM60為控制核心, 外圍電路簡單, 性能穩(wěn)定可靠, 有效地綜合了視日運(yùn)動軌跡跟蹤和光電跟蹤這兩種跟蹤方式的優(yōu)點(diǎn), 進(jìn)而避免了視日運(yùn)動軌跡跟蹤的誤差累積的問題和光電跟蹤過程中長時間多云天氣而使系統(tǒng)誤動作的問題,真正實(shí)現(xiàn)了對太陽的高精度跟蹤, 跟蹤精度達(dá)到22 。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、跟蹤精度高、運(yùn)行可靠、能夠在任何天氣狀況下工作、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等特點(diǎn), 可用于太陽能電車、太陽能電池、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、太陽灶等太陽跟蹤裝置, 將會大大提高太陽能的利用率。37