基于無傳感器的控制算法在最佳斜單軸逐日系統(tǒng)中運(yùn)用研究

羅龍 蔣銳 唐光 羅文學(xué) 羅候

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引言

現(xiàn)在主流逐日系統(tǒng)是采用光傳感器[1]作為逐日系統(tǒng)的信號(hào)源，但光傳感器價(jià)格高，安裝調(diào)試復(fù)雜，運(yùn)行維修成本高，不宜推廣使用，因此，被斜單軸逐日系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所代替。雖然采用斜單軸逐日系統(tǒng)發(fā)電占用土地面積比固定支架形式的面積要大，但是調(diào)整前后的總效益增加57.83%[2]。因此本文對(duì)逐日數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化，研究一種無傳感器控制算法的斜單軸逐日系統(tǒng)，這種算法能直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品，裝備到光伏發(fā)電設(shè)備上，在運(yùn)用上有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 逐日系統(tǒng)控制原理

雖然太陽輻射能量受大氣質(zhì)量、地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)等因素影響，但是每個(gè)光伏電站地址唯一，可由衛(wèi)星進(jìn)行精確測(cè)定，可得出精確的緯度、經(jīng)度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需對(duì)日出、日落時(shí)的角度基本參數(shù)進(jìn)行確定，對(duì)太陽光的最大輻射量和最佳輻射角度（最佳傾角）如圖1所示等進(jìn)行建模分析，以保證光伏矩陣接收到最大光輻射。太陽赤緯角指的是太陽光線與地球赤道平面的夾角。赤緯角以年為周期，在-23027′～23°27′ 范圍內(nèi)變化，春分和秋分時(shí)刻為零，夏至和冬至分別達(dá)到兩個(gè)極值。赤緯角計(jì)算常采用經(jīng)驗(yàn)公式[3]：

光伏矩陣的太陽輻射總量通常為太陽輻射量、天空散射輻射量和地面反射輻射量。在這里我們采用模型引入天空晴朗指數(shù)[4]，同時(shí)認(rèn)為來自天空的輻射量是各項(xiàng)同性，地面部分各項(xiàng)異性。傾斜面上的太陽輻射量可用下式表達(dá)：

公式中：Ht為傾斜面上的太陽輻射總量，Hb水平面上的太陽直接輻射量，Hd為散射輻射量H0為大氣層外水平面上太陽輻射量，β為光伏電池傾角，ρ為地面反射率，ψ為當(dāng)?shù)鼐暥龋琑b為傾斜面與水平面上的太陽直接輻射比。

ωs為水平面上的日出、日落時(shí)角，ωs′為傾斜面上的日出、日落時(shí)角，Isc為太陽常數(shù)：1367W/m2，γ為日、地距離變化引起大氣層上界的太陽輻射通量修正值，ψ為地理緯度由公式（2）式變換得到優(yōu)化后的最佳單軸傾角數(shù)學(xué)模型：

2 實(shí)驗(yàn)仿真

根據(jù)最佳單軸傾角數(shù)學(xué)模型，利用MATLANB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)光伏電站位置一旦選定，地理緯度角ψ，太陽赤緯角δ，太陽時(shí)角ωs在固定的時(shí)間是唯一值。因此在獲取最大輻射時(shí)，最佳傾角β能進(jìn)行進(jìn)算，將最佳傾角通過換算推進(jìn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光伏電池達(dá)到最理想位置狀態(tài)。

實(shí)驗(yàn)仿真地點(diǎn)選在緯度ψ=400的敦煌附近，由最佳傾角數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真，得到如圖2。

圖2 最佳傾斜角度隨時(shí)間變化仿真圖

在一天中任意取一段時(shí)間進(jìn)行逐日仿真，太陽最大輻射量與逐日傾角從0～90度區(qū)間內(nèi)的變化如圖3。

圖3 太陽輻射量與傾斜角度變化仿真圖

3 結(jié)束語

在最佳單軸傾角數(shù)學(xué)模型線，采用無傳感器控制理論下，進(jìn)行仿真。根據(jù)結(jié)果分析，最佳傾斜角度控制在480時(shí)，是光伏矩陣接受太陽輻射量最大的時(shí)候，因此采用這種無傳感器模型的逐日控制系統(tǒng)可以提高光電轉(zhuǎn)換能力，增加發(fā)電量，降低成本，且安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單，對(duì)逐日系統(tǒng)的發(fā)展有一定的實(shí)踐運(yùn)用意義。