太阳能电池丨电池板的3种控制系统

太阳能电池跟踪的机械部件

太阳能电池的太阳方位跟踪是在太阳有效光照时间内，能使太阳光线始终垂直照射到光线采集器( 太阳能集热器或光电池) 的采集面上，使光线采集器在有效光照时间内都能最大限度地获取太阳能的系统。该系统的最主要部分通常由控制部件和转动部件组成。

电池板的转动部件就是其运动机构，是一套机械构件，太阳能电池板的跟踪是绕特定转轴转动，转轴是运动的参考部件，所以太阳能电池板的跟踪运动方式是以轴系的组成来分类的，分成单轴跟踪与双轴跟踪两类。单轴跟踪分为平单轴跟踪与斜单轴跟踪；双轴跟踪也分成两类：极轴式跟踪系统（赤道坐标系双轴跟踪）与高度角-方位角跟踪（地平坐标系双轴跟踪）系统，这些跟踪方式在相应课件已做介绍，这里不再做介绍。

电池板绕轴转动是由电动机驱动的，驱动电机可以是步进电机或普通电机，电机需要通过齿轮减速器来带动电池板转动，多种驱动电机包含齿轮减速器。驱动电机最好带输出角度检测，以便计算机知道电池板的转动位置。输出角度检测对于开环控制是必不可少的，而且要有足够精度。

太阳能电池的视日运动跟踪法

电池板的控制系统根据控制方式分为三种：视日运动跟踪法、光电跟踪法、混合控制法。

视日运动跟踪法是一种主动式跟踪，主要有地平坐标系跟踪与赤道坐标系跟踪。

地平坐标系双轴跟踪

主动式跟踪控制根据控制计算机预先存储的当地经纬度等数据与太阳运动的轨迹函数，再根据实时时钟的精确时间信号，按地平坐标系相关函数计算出实时的太阳高度角与方位角，发出控制信号。电池板的轴系驱动部件根据这些信号把电池板转向指定的高度角与方位角，从而对准太阳。在整个控制过程中无需检测电池板是否对准了太阳，直接发控制命令，所以是主动式控制。由于控制过程不检测太阳位置，不是根据检测到的太阳位置偏差进行控制的，在自动控制技术中称为开环控制。

这种直接输出太阳高度角与方位角信号进行跟踪控制的方法称为高度角和方位角双轴跟踪或地平坐标系双轴跟踪。图1是其控制框图。

图1--高度角和方位角双轴跟踪主动式控制框图

由于控制过程不检测电池板的转动位置与太阳位置是否有偏差，为了保证电池板的转动的机械位置正确就必须保证整个驱动装置与执行电机有较高的精度。对于高精度跟踪的聚光太阳能系统可采用步进电机带动电池板，为防止失步或其他误动作，还必须有精密的机械位置检测传感器，把信号实时反馈给计算机检查位置是否正确，若有偏差就及时修正；采用普通伺服电机就必须配机械位置检测传感器构成局部的闭环控制，保证运行精度。在图1中的角度信号箭头线就是从位置检测传感器来的反馈信号。

赤道坐标系双轴跟踪

在极轴式跟踪系统也可以采用主动式跟踪控制，只是计算机的数据是按赤道坐标系处理。根据控制计算机预先存储的当地经纬度等数据与太阳运动的轨迹函数，再根据实时时钟的精确时间信号，计算出实时的太阳绕极轴转动的角度（时角），发出控制信号，使电池板对准太阳。由于俯仰角变化很小，每日不超过0.5度，可每日或几日计算一次俯仰角度，调整电池板的俯仰角度。图2是其控制框图。

图2--极轴双轴跟踪主动式控制框图

同样为保证跟踪的准确性，要有电池板轴转动的角度检测传感器把角度信号反馈给计算机。

主动式控制也适合于单轴跟踪系统，其计算函数非常简单，对于极轴式跟踪可直接定时转动一定角度即可，保证每小时转动15度。

开环控制没有跟踪太阳的传感器，为保证电池板转动精度，必须有两个轴转动的角度检测传感器，把角度信号反回计算机，检测是否出现错误的角度，以便及时处理。对于要求高的聚光太阳能电池跟踪，需提高轴系机械精度与角度检测精度，从而增加了制造成本。

太阳能电池的光电跟踪法

光电跟踪法是一种被动式跟踪，控制计算机根据太阳光跟踪传感器反馈的信号计算出电池板位置与太阳位置间的偏差方向与角度，再根据偏差发出控制信号。电池板的轴系驱动部件根据控制信号把电池板对准太阳，直到偏差最小。在整个控制过程中需不停的检测电池板的具体状态数据，再计算发出控制命令，在自动控制技术中称为闭环控制。图3是光电跟踪控制框图。

图3--太阳能电池板光电跟踪控制框图

被动跟踪需通过太阳光跟踪传感器实时采集电池板方位与太阳方向间的误差信号，在多云和阴天环境下会出现无法跟踪的问题。此外，由于光敏传感器处在室外环境中，传感器易受灰尘、积雪等因素的影响，导致所提供的跟踪信号不稳定。

太阳能电池跟踪的混合控制法

混合控制法就是把视日运动跟踪法与光电跟踪法结合使用。一般来说以光电跟踪为主，以视日运动跟踪来解决因天气等因素造成无法跟踪的问题。也可以先通过视日运动轨迹跟踪进行粗跟踪, 再由光电传感器跟踪进行精跟踪, 从而提高跟踪精度。对于跟踪控制精度要求高的聚光型太阳能电池要采用混合控制法。

由于系统的精确跟踪还是依赖光电跟踪，故对跟踪轴系的制造精度与角度检测精度要求不高，不会明显提高制造成本。

采用计算机进行跟踪控制是根据时钟信号或采集的太阳光跟踪传感器信号进行计算处理的，对于跟踪控制精度要求高的系统可10余秒计算处理一次，发出电池板的转动信号，间歇驱动电机转动。对于平面的太阳能电池板则不需要那么高的跟踪精度，差几度影响不大，为节省能源，减少机械磨损，可数分钟计算处理一次，发控制信号一次。