光伏電池最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊獲然 秦紅宇 董曉寶

摘要：通常情況下，考慮到收益的問(wèn)題，我們總是希望光伏系統(tǒng)能發(fā)揮最大的功率，但太陽(yáng)的光照強(qiáng)度隨著地球的自轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)的功率輸出也隨著日照和空氣的溫濕度而改變。光伏發(fā)電系統(tǒng)里的捕獲太陽(yáng)能的電池陣列，因光照強(qiáng)度的影響，也降低了光伏電池的光照效率。所以建立光伏電池的跟蹤系統(tǒng)，能有效解決主觀因素帶來(lái)的能量的錯(cuò)失。最大功率點(diǎn)跟蹤技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)，光源跟蹤方法的設(shè)計(jì)，使現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)能接收到更多的光能，使光伏發(fā)電運(yùn)用到不同的場(chǎng)景中去。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;光源跟蹤;光線傳感器

引言

光伏發(fā)電不僅為綠色倡導(dǎo)，它工作的時(shí)候也沒(méi)有噪音，更不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，在不同的場(chǎng)景都能運(yùn)用，是當(dāng)今社會(huì)的新能源，不會(huì)受到當(dāng)今時(shí)代能源危機(jī)的干擾，反而以它的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)倍受世界的廣泛關(guān)注，光伏發(fā)電的核心元件是光伏電池，他能夠通過(guò)一系列化學(xué)反應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能，所以光源的大小直接影響了光伏的發(fā)電效率，固定的發(fā)電方式在太陽(yáng)光照不垂直于光照板時(shí)接收的光能有一定的局限性。因此，光伏電池最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)能有效的解決這一難題，提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

1跟蹤控制算法方案選擇

跟蹤控制的算法主要有概念控制法、增量電導(dǎo)法、恒壓法、階梯法、擾動(dòng)觀察法、增加導(dǎo)電法等。從花費(fèi)成本、難易程度、準(zhǔn)確度和反應(yīng)速度等方面全面科學(xué)的考量之后，本文選擇擾動(dòng)觀察法。擾動(dòng)觀察法的工作機(jī)理是給工作電壓實(shí)施一個(gè)干擾，電壓的變化引起輸出功率的變化。如果輸出功率變大則繼續(xù)持續(xù)不變的擾動(dòng)，如若減小就改變方向。通過(guò)系統(tǒng)分析選擇的DC-DC轉(zhuǎn)化器的占空比為擾動(dòng)對(duì)象，如果輸出功率隨著占空比光伏陣列增加而增加，那就繼續(xù)增加，反之則減少。

擾動(dòng)觀察跟蹤算法有固定步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法和自適應(yīng)步長(zhǎng)擾動(dòng)觀察法，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，檢測(cè)少，對(duì)傳感器精度沒(méi)有太大的要求，容易操作。但也有利有弊，擾動(dòng)進(jìn)行時(shí)后系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)震蕩，引起功率損失。但擾動(dòng)步長(zhǎng)大小的選取要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和動(dòng)態(tài)性能。因此在光線強(qiáng)度變化緩慢的地方比較適合采用擾動(dòng)觀察法較。但因不同的地域和不同的環(huán)境因素，光伏電池載量、溫度、和光照的大小都是呈現(xiàn)非線性，功率點(diǎn)的變化也在不停的發(fā)生變化。這樣的非線性系統(tǒng)如果使用模糊控制方法，將會(huì)得到一個(gè)比較不錯(cuò)的效果。結(jié)合上文所講，本系統(tǒng)的擾動(dòng)觀察法，測(cè)量參數(shù)少、硬件結(jié)構(gòu)要求低、模糊控制算法簡(jiǎn)單，同時(shí)提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)跟蹤地球的自轉(zhuǎn)引起的對(duì)太陽(yáng)光光照的運(yùn)動(dòng)，使太陽(yáng)光垂直于光伏發(fā)電的電池板，從而增加光伏陣列接收到的太陽(yáng)光照能量，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。使用廣泛的有四種太陽(yáng)光伏自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，包括水平單軸跟蹤、斜單軸跟蹤系統(tǒng)、垂直單軸跟蹤和雙軸跟蹤，主要由光伏供電裝置、光伏供電系統(tǒng)、逆變與負(fù)載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)采各裝置結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)都具有獨(dú)立的功能。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的組成主要由計(jì)算機(jī)、力控組態(tài)軟件等結(jié)構(gòu)組成，為對(duì)整個(gè)光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，界面顯示器上顯示了主要有光伏供電系統(tǒng)、光伏供電控制、逆變與負(fù)載、曲線、系統(tǒng)報(bào)表等構(gòu)造，可以對(duì)發(fā)電系統(tǒng)實(shí)施遠(yuǎn)程控制。避免事故發(fā)生得不到及時(shí)處理從而影響發(fā)電效率。

2.3傳感器系統(tǒng)

傳感器安裝在太陽(yáng)電池方陣上，與其同步運(yùn)行。光線方向一旦發(fā)生細(xì)微改變，則傳感器失衡，系統(tǒng)輸出信號(hào)產(chǎn)生偏差，當(dāng)偏差達(dá)到一定幅度時(shí)，傳感器輸出相應(yīng)信號(hào)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行糾偏，使光電傳感器重新達(dá)到平衡—即由傳感器輸出信號(hào)控制的太陽(yáng)電池方陣平面與光線成角時(shí)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一次調(diào)整周期。如此不斷調(diào)整，時(shí)刻沿著太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡追隨太陽(yáng)，構(gòu)成一個(gè)閉路反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。系統(tǒng)不需設(shè)定基準(zhǔn)位置，傳感器永不迷失方向。系統(tǒng)設(shè)有防雜光干擾及夜間跟蹤電路，并附有手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，以方便調(diào)試。

2.4單雙軸跟蹤系統(tǒng)

雙軸跟蹤系統(tǒng)是在兩個(gè)方向上旋轉(zhuǎn)的自由度，因此它可以360度跟蹤太陽(yáng)的高度角和方位角，使得輻射接收面始終垂直于太陽(yáng)的入射方向，即在跟蹤范圍內(nèi)太陽(yáng)的入射角始終為零，最大化的利用太陽(yáng)能資源。雙軸跟蹤系統(tǒng)一般沒(méi)有細(xì)化的分類(lèi)，但雙軸跟蹤的實(shí)現(xiàn)形式，即實(shí)現(xiàn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以有多種形式

雙軸跟蹤雖然輻射接收量高，但由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，投入成本多，花銷(xiāo)大等不利條件限制了發(fā)展，而單軸跟蹤系統(tǒng)相對(duì)于雙軸跟蹤系統(tǒng)，在輻射接收量和成本等方面取得了相對(duì)較好的平衡，今年來(lái)的發(fā)展也更為迅速。單軸跟蹤系統(tǒng)只在一個(gè)方向上有自由度，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，但同時(shí)也就不能保證光能的接收全面的進(jìn)行，只能是盡量的把太陽(yáng)光的入射角減小，提高輻射接收量。單軸跟蹤系統(tǒng)的比雙軸跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要多一些，總體上可分為斜單軸跟蹤系統(tǒng)、平單軸跟蹤系統(tǒng)和垂直軸跟蹤系統(tǒng)。

3實(shí)驗(yàn)測(cè)試

3.1測(cè)試內(nèi)容

在同樣的光照強(qiáng)度和相同的環(huán)境條件下，分別用固定的光伏發(fā)電設(shè)備和跟蹤設(shè)備，首先把功率相同的投射燈放置在擺桿上端模擬太陽(yáng)光，模擬器從東往西模擬地球的自轉(zhuǎn)，起始角為60度，終止角為120度，每次旋轉(zhuǎn)3.24度;分別記錄兩種設(shè)備下光伏電池陣列的輸出電壓、電流，計(jì)算輸出功率，畫(huà)出光伏發(fā)電功率折線圖做為對(duì)比。

3.2測(cè)試方式

固定式發(fā)電：把擺桿調(diào)至位置中心，與水平面保持垂直;調(diào)節(jié)光伏電池方陣把方陣正面對(duì)著投射燈，并使方陣平面與地面夾角為45°固定起來(lái);使擺桿自東向西旋轉(zhuǎn)，并記錄每次旋轉(zhuǎn)光伏電池陣列輸出的電流與電壓，計(jì)算設(shè)備輸出功率。光源跟蹤式發(fā)電：前面步驟同固定式發(fā)電一樣，先打開(kāi)擺桿自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)使擺桿自東向西旋轉(zhuǎn)，同時(shí)打開(kāi)光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使光伏電池陣列與入射光線一直保持垂直的狀態(tài)，觀察自轉(zhuǎn)情況避免自動(dòng)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)突發(fā)狀況，然后記錄下光伏電池陣列輸出的電流與電壓，由此計(jì)算輸出功率。

結(jié)語(yǔ)

降本增效即降低成本增加效率是光伏行業(yè)亙古不變的主題，因?yàn)橹挥泄夥l(fā)電成本持續(xù)下降，才能加快光伏行業(yè)前進(jìn)的步伐，才能成為更具競(jìng)爭(zhēng)力的電力產(chǎn)品。本文對(duì)于光伏發(fā)電中光能源是否能全面捕獲的問(wèn)題，主要對(duì)光伏電池的跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，設(shè)計(jì)出了光伏發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤流程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，確定了三維導(dǎo)圖，用光線傳感器實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光360度追蹤，設(shè)計(jì)光源跟蹤控制策略。最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了跟蹤光源獲能的有效性。在光伏電池陣列工作穩(wěn)定的情況下，光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)大大提高了掛不辜負(fù)發(fā)電的效率。通過(guò)對(duì)固定式光伏發(fā)電獲得的最大功率和跟蹤光伏發(fā)電獲得最大功率的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計(jì)的光伏發(fā)電最大功率點(diǎn)固定式發(fā)電的功率遠(yuǎn)不如跟蹤控制系統(tǒng)的發(fā)電功率，跟蹤光伏發(fā)電效設(shè)備的運(yùn)用，顯著提高了發(fā)電效率，同時(shí)對(duì)太陽(yáng)能光伏電池組件得到了充分的利用。該系統(tǒng)能夠自動(dòng)化管理，自己調(diào)節(jié)垂直于光照的排列位置，使其時(shí)時(shí)刻刻都與太陽(yáng)正對(duì)，保證太陽(yáng)透射的光線始終垂直于電池板上，提高光能組件的發(fā)電量。

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