一種新型太陽追蹤策略的研究

長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 ■ 王驍 曹秒安志勇 曹維國

一種新型太陽追蹤策略的研究

長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 ■ 王驍 曹秒*安志勇 曹維國

通過分析太陽運行規(guī)律，提出一種新型的追蹤策略，先調(diào)整俯仰方向的步進電機，在俯仰周期內(nèi)只需在東西方向進行調(diào)整，由于俯仰周期遠(yuǎn)大于東西周期，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)一定意義上的單軸追蹤，再結(jié)合離散式運行方式能夠顯著降低系統(tǒng)的運行功耗。實驗結(jié)果表明，采用新型追蹤策略的太陽追蹤系統(tǒng)輸出功率與固定安裝策略相比提高21%以上，與傳統(tǒng)型高度角－方位角追蹤策略相比提高7%左右，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

太陽運行規(guī)律；追蹤策略；單軸追蹤；離散式運行；輸出功率

0　引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，煤炭、石油等傳統(tǒng)礦物資源日益短缺，大氣污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，因此，開發(fā)新型的可再生資源已成為近年來能源領(lǐng)域的研究重點［1］。太陽能作為一種可再生、覆蓋面廣、蘊含量高的綠色清潔能源，已經(jīng)普遍應(yīng)用于我們的日常生活中，但太陽能也存在著密度低、間歇性、分布不均衡的特點，這就對高效收集太陽能并盡可能轉(zhuǎn)換為其他形式的能源提出了更高的要求［2,3］。

光伏發(fā)電是太陽能應(yīng)用的重要途徑，其核心是將光能轉(zhuǎn)換為電能，能夠有效緩解能源危機和減少環(huán)境污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用支架固定安裝的方式，太陽電池板只能面朝一個方向，無法充分利用太陽能，發(fā)電效率較低。對此，很多研究提出采用雙軸跟蹤方式［4,5］，對太陽電池板的高度角和方位角進行調(diào)整，使太陽光線盡可能垂直照射到太陽電池板上。這些設(shè)計雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對太陽軌跡的精確追蹤，但是在運行過程中需要在高度角和方位角兩個方向上不斷調(diào)整太陽電池板的位置，導(dǎo)致系統(tǒng)運行耗能較高，實際輸出功率低于預(yù)期效果，不便于市場推廣使用。本文通過對太陽運行規(guī)律進行分析，提出一種新型的追蹤策略，實現(xiàn)一定意義上的單軸追蹤，又結(jié)合離散式運行來降低系統(tǒng)運行功耗，具有一定應(yīng)用價值。

1　工作原理

本系統(tǒng)主要由3個部分組成，包括處理器控制模塊、電機驅(qū)動模塊和輸出采樣模塊，其總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)在設(shè)定的時間內(nèi)工作，開始時刻供電完成初始化，截止時刻停止運行并歸位。在運行時間內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的追蹤策略運行，先調(diào)整俯仰方向的步進電機，再調(diào)整東西方向的步進電機；期間采用離散式運行方式［6］，電機驅(qū)動模塊只在相應(yīng)的周期信號到來時才供電運行，完成必要工作后進入斷電待機狀態(tài)。運行過程中，系統(tǒng)先開啟檢測模式，由太陽電池板中心的硅光電池對周圍光強進行檢測，只有高于設(shè)定的光強閾值才能進入追蹤模式，否則等待下一周期再重新檢測。

輸出采樣模塊對太陽電池板的電流與電壓進行采樣，并將采樣信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至MCU。為進一步提高太陽電池板的輸出功率，采用MPPT策略中的改進型擾動觀察法［7,8］使其工作在最大功率點附近，有效避免傳統(tǒng)直接充電方式對輸出電壓的限制，以及環(huán)境光強變化引起的誤操作問題。

2　太陽運行規(guī)律分析

一天之內(nèi)，太陽從東邊升起，西邊落下，因而在東西方向上使用步進電機帶動太陽電池板轉(zhuǎn)動，保證系統(tǒng)在東西方向上對太陽的大致追蹤。由于赤道面和黃道面之間存在夾角，太陽光線一般不會垂直照射到太陽電池板上，因而需要額外增加一個步進電機實現(xiàn)俯仰方向的調(diào)整，使太陽光能夠沿著太陽電池板的法線垂直照射到太陽電池板上。步進電機是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送過來的脈沖信號轉(zhuǎn)動相對固定的角度，因而需要根據(jù)太陽運行規(guī)律來確定要發(fā)送的脈沖數(shù)。

圖2　太陽位置示意圖

如圖2所示，在地平坐標(biāo)系xyz中用太陽方位角Az、高度角Ah來表示天球上太陽的位置［9］。其中，太陽方位角Az是指太陽光線在地平面上的投影與正北方的夾角；高度角Ah是指從太陽中心照射到觀測點的光線與地平面之間的夾角。設(shè)天球半徑為R，則太陽在地平坐標(biāo)系中的位置可用式(1)表示為：

以太陽電池板平面為基準(zhǔn)建立局部直角坐標(biāo)系x′y′z′，它可以視為是由原有的xyz坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)一定角度得到的，其示意圖如圖3所示，其中γ為在某個俯仰周期內(nèi)太陽電池板平面與水平地面的夾角。

圖3　在某個俯仰周期內(nèi)的局部直角坐標(biāo)系x′y′z′

由三維空間的旋轉(zhuǎn)公式得到太陽在局部直角坐標(biāo)系x′y′z′的位置為：

當(dāng)太陽從東向西運行時，東西方位的步進電機帶動波導(dǎo)聚光模塊繞y'軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過的角度α可表示為：

以旋轉(zhuǎn)后的太陽電池板平面為基準(zhǔn)建立局部直角坐標(biāo)系x′y′z′，同樣由三維空間的旋轉(zhuǎn)公式可得太陽位置表達式為：

下一個俯仰周期信號到來后，此時太陽光線不再垂直入射到太陽電池板平面上。設(shè)此時入射光線與太陽電池板平面法線夾角為Δγ，即在俯仰方向上應(yīng)調(diào)整的角度，可由式(4)表示為：

一般在相同時間間隔里，太陽在東西方位的偏移角度遠(yuǎn)大于在南北方位的偏移角度，因而東西周期相對俯仰周期來說比較短；開啟追蹤模式后，先在俯仰方向進行調(diào)整，然后再調(diào)整東西方位，在俯仰周期內(nèi)只需調(diào)整東西方位的步進電機。

這樣可以實現(xiàn)一定意義上的單軸追蹤，進一步降低系統(tǒng)的功耗。以2015年廣州市太陽方位角Az、高度角Ah數(shù)據(jù)為例進行計算，在俯仰方向上固定太陽電池板朝南25°(即γ=25°)放置，通過式(1)～式(5)可計算出一年之內(nèi)Δγ的變化曲線如圖4所示。

圖4　一年之內(nèi)Δγ的變化曲線圖

由圖4可知，一年之內(nèi)Δγ從冬至的23.5°逐漸降到夏至的-23.5°，然后再逐漸增加到下一個冬至的23.5°，由此可計算得到一天內(nèi)Δγ的變化幅度約為0.26°。若系統(tǒng)在俯仰方向的允許誤差大小為±0.5°，那么可以每隔4天對俯仰方向進行一次調(diào)整；若俯仰方向允許誤差大小為±0.25°，則需要每隔2天對俯仰方向進行一次調(diào)整。

3　輸出采樣模塊

在盡可能收集太陽光使其聚集到太陽電池板后，還要保證太陽電池在一定條件下盡可能輸出更多的電能。傳統(tǒng)方法是將太陽電池與蓄電池直接相連，這樣會導(dǎo)致太陽電池的輸出電壓被拉低至蓄電池的工作電壓附近，輸出功率受到嚴(yán)重限制。MPPT策略通過跟蹤太陽電池的輸出功率，進而調(diào)整系統(tǒng)各個模塊的工作狀態(tài)，使太陽電池工作在最大功率點附近。

常用的MPPT策略有擾動觀察法、恒壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法等。從太陽電池的輸出特性可知，最大功率點所對應(yīng)的輸出電壓隨光照強度、溫度變化，因而恒壓法跟蹤法不能真正實現(xiàn)最大功率跟蹤；電導(dǎo)增量法能夠較好地實現(xiàn)最大功率跟蹤，但對硬件要求較高。這里采用擾動觀察法，其跟蹤原理如圖5所示。

圖5　擾動觀察法原理圖

從圖5可以看出，在輸出功率曲線的上升階段，光強由L1減小為L2時，輸出功率由P1減小至P2，ΔP= P2–P1＜0。根據(jù)傳統(tǒng)型擾動觀察法可知，系統(tǒng)下一步動作應(yīng)該是減小當(dāng)前電壓U，而實際上應(yīng)繼續(xù)增加U才能移向最大功率點；在輸出功率曲線的下降階段同樣也存在這個問題。

本系統(tǒng)采用改進型擾動觀察法，開始時先加一個擾動電壓信號ΔU到太陽電池的輸出電壓U上，然后對輸出電壓U和電流I進行連續(xù)采樣，并由此計算得到新的輸出功率P；與此同時，通過光電檢測模塊對當(dāng)前環(huán)境光強L進行檢測和記錄，計算相鄰兩次采樣的功率差值ΔP和光強差值ΔL。當(dāng)ΔP＜0時，如果ΔL＜0，說明是由于光強引起的變化，系統(tǒng)保持原來的電壓；如果ΔL＞0，則需改變擾動方向。同理，當(dāng)ΔP＞0時，如果ΔL＞0，則保持原電壓，否則就繼續(xù)該擾動。改進型擾動觀察法在原有的擾動觀察法基礎(chǔ)上加入了環(huán)境光強檢測，避免了系統(tǒng)因光強變化對擾動方向的誤判。

此外，由于太陽電池的輸出功率受環(huán)境影響較大，且不能存儲能量，一般需要配備蓄電池來儲存和調(diào)節(jié)電能?？赏ㄟ^直流-直流(DC/DC)變換電路連接太陽電池與蓄電池，采用基于放電脈沖的三階段充電方式［10］，在充電時通過放電脈沖增大蓄電池的可接受充電電流，這樣可以使蓄電池盡可能快速吸收光伏電池轉(zhuǎn)換的電能，并在一定程度上延長蓄電池的使用壽命。

MPPT策略與三階段充電方式相結(jié)合的復(fù)合控制策略能夠充分協(xié)調(diào)太陽電池與蓄電池之間的工作狀態(tài)，使收集到的太陽能利用率達到最大化，大幅提高系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。

4　實驗結(jié)果

本系統(tǒng)以TI公司的DSP TMS320F28035為主控制器，主要完成環(huán)境光強檢測、發(fā)送脈沖信號驅(qū)動電機、實施MPPT策略使太陽電池板工作在最大功率點附近等功能。步進電機選用Shinano公司的S42D110A-MAA0S2，并采用鳴志MSST5-Q作為步進電機驅(qū)動器，步距角通過細(xì)分可達0.036°。選用型號為HYT15D-12的單晶硅太陽電池板，其相關(guān)性能參數(shù)見表1。

表1　光伏組件參數(shù)

系統(tǒng)測試選用3個型號均為HYT15D-12的同規(guī)格太陽電池板，分別安裝在固定朝南45°的支架、采用高度角-方位角追蹤策略的雙軸傳動執(zhí)行裝置、采用俯仰-東西追蹤策略的雙軸傳動執(zhí)行裝置上；于2016年6月13日在吉林省長春市進行測試，天氣狀況為晴朗少云，光照充足；3種安裝方式均采用改進型擾動觀察法盡可能使太陽電池板工作在最大功率點附近。

實驗測試結(jié)果如表2所示，Uout、Iout分別表示充電時太陽電池板的端電壓和輸出電流，Pout是由Uout、Iout計算得到的輸出功率，p1是采用新型追蹤策略后輸出功率相對固定安裝方式提升的百分比，p2是采用新型追蹤策略后輸出功率相對高度角-方位角追蹤方式提升的百分比。

表2　3種安裝方式的實驗測試結(jié)果

由表2測試結(jié)果可知，采用新型追蹤策略后，由于能夠動態(tài)追蹤太陽位置，太陽電池板輸出穩(wěn)定且接近標(biāo)稱功率，與固定安裝方式相比提升了21%以上；而與傳統(tǒng)的高度角-方位角追蹤策略相比，對太陽的追蹤精度有所下降，但由于在相對固定的俯仰周期內(nèi)只需調(diào)整東西方向的步進電機，顯著降低了系統(tǒng)的運行功耗，所以輸出功率相對提升了7%左右。另外，新型追蹤策略實現(xiàn)了一定意義的單軸追蹤，降低了傳動機械裝置的損耗，大幅減少了主控制器程序設(shè)計的復(fù)雜性。

本實驗測試是在一天內(nèi)較為理想的天氣下進行的，并未考慮到陰雨或多云天氣的不利影響，弱光或無光時仍進行追蹤，造成能源浪費，而且無法自動修正控制誤差和機械傳動誤差，長期運行會造成較大的累積誤差?？梢钥紤]加入光電檢測模塊，先對周圍環(huán)境光強進行檢測，若是低于設(shè)定的感光閾值，就讓系統(tǒng)進入待機狀態(tài)，等待下一個周期再重新檢測；若超過閾值，就進入追蹤模式，先在大范圍內(nèi)采用新型追蹤策略搜索太陽的位置，達到一定精度范圍后再通過光電檢測模塊對太陽進行精確追蹤。這樣可以避免陰雨或多云天氣下的能源浪費，并對系統(tǒng)運行的累計誤差進行自動修正，能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率的光電轉(zhuǎn)換。

5　結(jié)論

本文通過分析太陽運行規(guī)律提出了一種新型的太陽追蹤策略，先開啟檢測模式檢查周圍光強是否達到設(shè)定閾值，再開啟追蹤模式由步進電機帶動太陽電池板轉(zhuǎn)到與太陽光線垂直的位置。這一過程中，先在俯仰方向進行調(diào)整，后調(diào)整東西方位，實現(xiàn)了一定意義上的單軸追蹤，并結(jié)合離散式運行策略極大降低了系統(tǒng)的自身功耗。在盡可能收集太陽光使其聚集到太陽電池板后，通過改進型擾動觀察法使太陽電池板工作在最大功率點附近，有效避免了傳統(tǒng)直接充電方式對輸出電壓的限制和光強變化引起的誤操作問題，使電池板輸出功率達到最大化。

由實驗結(jié)果分析可知，采用新型追蹤策略的雙軸跟蹤裝置與固定安裝方式相比提升21%以上，而與傳統(tǒng)的高度角-方位角追蹤策略相比提升7%左右，具有一定的研究意義和推廣價值。

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2016-05-26

曹秒 (1975—)，女，副教授、博士，主要從事新型光電儀器方面的研究。79816540@qq.com