新型太陽(yáng)能單軸跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)＊

楊康， 張劍鋼， 李景天， 劉祖明， 謝明達(dá)， 戴娟， 許海園， 馬銘

（云南師范大學(xué) 太陽(yáng)能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南 昆明650092）

為了提高光伏電站的發(fā)電效率，越來(lái)越多的光伏電站開(kāi)始考慮安裝太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng).跟蹤系統(tǒng)主要分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩大類，雙軸跟蹤系統(tǒng)由于投入成本較高（相對(duì)于單軸跟蹤）、穩(wěn)定性差等原因使其適用性降低［1－4］；單軸跟蹤是通過(guò)改變單一運(yùn)行軌跡，尋找最佳入射角或最大光照強(qiáng)度方位的跟蹤方式.單軸跟蹤方式較固定放置方式提升了太陽(yáng)能利用效率，相對(duì)于傾斜面放置方式可提升約23%，相對(duì)于水平面放置方式可提升38%左右［5］.一般情況下，選擇單軸跟蹤更為經(jīng)濟(jì).

常用的太陽(yáng)能跟蹤控制方法主要有以下兩種：視日運(yùn)動(dòng)軌跡控制方法和傳感器檢測(cè)光強(qiáng)控制方法［6］.視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式成本相對(duì)低，能夠在各種復(fù)雜天氣情況下運(yùn)行，基本不受天氣變化的影響，但是跟蹤過(guò)程中不能消除產(chǎn)生的累積誤差，導(dǎo)致不能充分接受太陽(yáng)輻射能.傳感器跟蹤方式靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便，易于實(shí)現(xiàn)，但受天氣影響大，如果遭遇長(zhǎng)時(shí)間烏云遮擋或者陰天，跟蹤裝置會(huì)不動(dòng)作而無(wú)法對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，甚至?xí)霈F(xiàn)誤動(dòng)作［7－8］.但傳感器跟蹤方式多選用光敏電阻作為光強(qiáng)檢測(cè)器件，比較昂貴，同時(shí)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，光敏電阻的性能會(huì)大幅降低，尤其在被灰塵覆蓋后，檢測(cè)效果會(huì)大大降低，甚至影響到系統(tǒng)的使用［9］.兩種跟蹤方法都是以提高跟蹤精度來(lái)增加太陽(yáng)電池的發(fā)電量，需要轉(zhuǎn)動(dòng)裝置頻繁執(zhí)行跟蹤動(dòng)作，以及復(fù)雜的控制程序，導(dǎo)致實(shí)際運(yùn)行中故障頻頻發(fā)生.因此，當(dāng)前多數(shù)研究人員考慮將光電跟蹤與視日跟蹤相結(jié)合，揚(yáng)長(zhǎng)補(bǔ)短.采用該思路，本設(shè)計(jì)選取靈敏度高、穩(wěn)定性佳、使用壽命長(zhǎng)的光伏電池作為光強(qiáng)檢測(cè)器件，將其以相同朝南傾角安置于跟蹤系統(tǒng)附近，提供光強(qiáng)信號(hào)，同時(shí)對(duì)跟蹤步長(zhǎng)進(jìn)行優(yōu)化，選取合適的跟蹤步長(zhǎng)和跟蹤次數(shù).

1 控制策略設(shè)計(jì)

選取STC12C5X系列增強(qiáng)型8051內(nèi)核單片機(jī)作為系統(tǒng)CPU芯片，該芯片具有1 280byte的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，8～64Kb的片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器，以及8通道10位高速ADC，速度可達(dá)25萬(wàn)次／秒，而且片內(nèi)有EEPROM功能，方便對(duì)重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，防止突然掉電時(shí)數(shù)據(jù)的丟失.系統(tǒng)采用三杯式電壓輸出型風(fēng)速傳感器來(lái)檢測(cè)風(fēng)速，量程為0～30m／s，風(fēng)速分辨精度0.2m／s，輸出信號(hào)0～5V，表1為風(fēng)速大小與電壓值對(duì)照表.

通過(guò)實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)速、開(kāi)路電壓、短路電流（以正朝南23°傾角放置的參考組件），判斷天亮、天黑、有無(wú)陽(yáng)光、風(fēng)速大小，給出不同情況下的執(zhí)行動(dòng)作，達(dá)到減少跟蹤動(dòng)作、降低跟蹤系統(tǒng)的投資成本等目的.系統(tǒng)使用內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)，但是每天監(jiān)測(cè)到天亮之后重新計(jì)時(shí)，從而不會(huì)產(chǎn)生時(shí)間累計(jì)誤差.

表1 風(fēng)速大小與輸出電壓值的對(duì)應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between the wind speed and the output voltage

在輻照度波動(dòng)較小時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)電池板面法線與太陽(yáng)入射光線的夾角，測(cè)量不同夾角下，電池板（峰值功率130W，開(kāi)路電壓21.9V，短路電流8.02A，最大功率點(diǎn)電壓17.6V，最大功率點(diǎn)電流7.39A）的短路電流大小.經(jīng)多次測(cè)量、對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，夾角在0～5°變化時(shí)，短路電流在0.05A范圍內(nèi)波動(dòng)（3.2～3.3A）.也就是說(shuō)，在電池板面的法線與太陽(yáng)光線有5°左右的夾角時(shí)，電池板的輸出功率大致減少了1%～2%.因此，本設(shè)計(jì)選取10°左右作為單次跟蹤角度.

由于白天時(shí)長(zhǎng)每日都在輕微變化，冬、夏兩季的白天時(shí)長(zhǎng)相差較為明顯，所以，本設(shè)計(jì)以白天時(shí)長(zhǎng)為依據(jù)，將全年分為春秋季模式、夏季模式、冬季模式三套方案.冬季白天時(shí)長(zhǎng)短，設(shè)置系統(tǒng)跟蹤的極限角度小；夏季白天時(shí)長(zhǎng)長(zhǎng)，設(shè)置系統(tǒng)跟蹤的極限角度大；春秋季系統(tǒng)的跟蹤角度選取以上兩個(gè)極限角度之間的某一值.每日的跟蹤次數(shù)都為14次，單次跟蹤角度分別為9.9°、10.8°、11.7°，使東向跟蹤起始角在幾種模式下分別為69.3°、75.6°、81.9°.早上、下午的跟蹤間隔大，中午跟蹤間隔小.以正午為對(duì)稱中心，早上與下午的跟蹤間隔對(duì)應(yīng)相等.從東向跟蹤起始角到東西水平位需要轉(zhuǎn)動(dòng)7次，后一次跟蹤間隔相對(duì)前一次有不同程度的調(diào)整.

開(kāi)機(jī)運(yùn)行，系統(tǒng)讀取白天時(shí)長(zhǎng)并選擇轉(zhuǎn)動(dòng)模式，然后開(kāi)始檢測(cè)參考組件的開(kāi)路電壓、短路電流以及風(fēng)速大小.1分鐘檢測(cè)1次，以5分鐘的檢測(cè)結(jié)果作為判斷依據(jù).通過(guò)對(duì)測(cè)量結(jié)果的判斷，系統(tǒng)將確定出白天、黑夜、有無(wú)陽(yáng)光、是否跟蹤、是否執(zhí)行抗風(fēng)措施等.當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到天亮?xí)r，T1、T3計(jì)時(shí)開(kāi)始.T3計(jì)時(shí)溢出時(shí)（注：T1為白天時(shí)長(zhǎng)，T2為跟蹤間隔計(jì)時(shí)，T3為日出時(shí)長(zhǎng)，T4為日落時(shí)長(zhǎng)），若短路電流和風(fēng)速滿足要求，組件會(huì)直接轉(zhuǎn)動(dòng)到東限位，完成對(duì)太陽(yáng)的第一次追蹤；若短路電流過(guò)小或風(fēng)速過(guò)大，組件會(huì)繼續(xù)保持東西水平位，直到短路電流和風(fēng)速都滿足跟蹤要求，且第一個(gè)跟蹤間隔計(jì)時(shí)未滿，組件會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到東限位.在全天運(yùn)行中，系統(tǒng)只要檢測(cè)到風(fēng)速大于12m／s，或者在一組檢測(cè)結(jié)果中，風(fēng)速有3次及以上達(dá)到或超過(guò)8m／s，且組件不在水平位置，系統(tǒng)會(huì)馬上對(duì)組件進(jìn)行歸位，不再進(jìn)行跟蹤，但T2仍在重復(fù)計(jì)時(shí)、溢出、賦值.

圖1 系統(tǒng)程序框圖Fig.1 Block diagram of the system

到了下午七點(diǎn)半左右，輻照度迅速降低，參考電池板的開(kāi)路電壓也隨之快速下降，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到開(kāi)路電壓下降到下限以下時(shí)，組件回歸到東西水平位，T1停止計(jì)時(shí).此后，系統(tǒng)會(huì)判斷T1是否在合理的范圍之內(nèi)，并修正內(nèi)部的白天時(shí)長(zhǎng).如果T1合理，處理器會(huì)結(jié)合前一天的白天時(shí)長(zhǎng)通過(guò)算法修正、改寫內(nèi)部存儲(chǔ)空間的白天時(shí)長(zhǎng)；如果T1不合理，則放棄當(dāng)日所測(cè)白天時(shí)長(zhǎng)，次日繼續(xù)使用內(nèi)部時(shí)長(zhǎng).

2 運(yùn)行結(jié)果分析

輻照度對(duì)太陽(yáng)電池組件的短路電流影響很大，而對(duì)開(kāi)路電壓影響很小，組件的發(fā)電量主要取決于其接收到的輻照度大小，因此，通過(guò)對(duì)比短路電流或者輻照度累計(jì)值就可以估量系統(tǒng)的發(fā)電量.為對(duì)比單軸跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)越性，對(duì)固定式系統(tǒng)與單軸跟蹤系統(tǒng)選取相同規(guī)格的電池組件（峰值功率130W，開(kāi)路電壓21.9V，短路電流8.02A，最大功率點(diǎn)電壓17.6V，最大功率點(diǎn)電流7.39 A），并均以正朝南11°傾角安裝.使用數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量記錄兩個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)路電壓和短路電流，同時(shí)，使用自動(dòng)氣象站記錄兩個(gè)系統(tǒng)中電池板面接受到的太陽(yáng)輻照度累計(jì)值，5秒測(cè)量1次，然后對(duì)1小時(shí)內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值列于表2.

表2 兩種系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)Table 2 Run data of the two systems

從表2可以看出，早上7點(diǎn)15分到11點(diǎn)15分和下午15點(diǎn)15分到19點(diǎn)15分兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)，固定式系統(tǒng)與單軸跟蹤系統(tǒng)的電池板面所接收到的太陽(yáng)輻照度相差較大，單軸跟蹤系統(tǒng)所接收到的輻照度甚至比固定式系統(tǒng)增加了232.57%，電池板的短路電流也因此有明顯差異；11點(diǎn)15分到15點(diǎn)15分，由于兩個(gè)系統(tǒng)角度基本相同，它們的短路電流相差較小.跟蹤效果見(jiàn)圖2、圖3，圖中開(kāi)路電壓有非正常波動(dòng)，這是由于傳感器本身原因造成，但通過(guò)取平均值，也可以得出開(kāi)路電壓隨太陽(yáng)輻照度變化不明顯（跟蹤式比固定式略微低一點(diǎn)）.

圖2 全天開(kāi)路電壓變化情況Fig.2 Changes of Vocin a day

圖3 全天短路電流變化情況 Fig.3 Changes of Iscin a day

上述對(duì)比說(shuō)明，新型單軸跟蹤系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確 跟蹤太陽(yáng)，在早上、下午太陽(yáng)高度角較小時(shí)，相對(duì)于固定式系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢(shì).通過(guò)對(duì)系統(tǒng)近一個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)分析可知，新型單軸跟蹤系統(tǒng)相對(duì)固定式系統(tǒng)的太陽(yáng)能利用率提高了21%左右，大步長(zhǎng)的跟蹤是行之有效的.

3 結(jié)束語(yǔ)

控制系統(tǒng)不需要累計(jì)計(jì)時(shí)，避免了因時(shí)鐘芯片引來(lái)的時(shí)間累計(jì)誤差問(wèn)題或使用衛(wèi)星定時(shí)的成本和穩(wěn)定性的問(wèn)題.跟蹤參數(shù)由連續(xù)一段時(shí)間的實(shí)際測(cè)量值決定，不會(huì)因突發(fā)的陰雨天、多云、連續(xù)遮陰等因素對(duì)跟蹤的準(zhǔn)確性造成影響.系統(tǒng)選取靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長(zhǎng)的光伏電池作為光強(qiáng)檢測(cè)器件，將每日所測(cè)得的白天時(shí)長(zhǎng)作為計(jì)算跟蹤所需要的單次跟蹤角度和跟蹤間隔的重要參數(shù)，計(jì)算簡(jiǎn)單，卻又具有較高的跟蹤準(zhǔn)確性.對(duì)每日跟蹤次數(shù)做了優(yōu)化，選取恰當(dāng)?shù)母櫜介L(zhǎng)，使得系統(tǒng)的控制得以簡(jiǎn)單化，故障率自然會(huì)大大降低.總的來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)的控制電路簡(jiǎn)單、硬件設(shè)備少、投資成本低、運(yùn)行高效可靠，在跟蹤精度要求不高而穩(wěn)定性要求高的地方值得推廣應(yīng)用.

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