基于天氣類型劃分的單軸軌道式光伏跟蹤策略

李 芬，張德隆，毛 玲，崔 楊

(1.上海電力大學(xué)，上海 200090；2.湖北省氣象服務(wù)中心，湖北武漢 430205)

光伏作為一種可再生能源在全球能源領(lǐng)域地位愈發(fā)重要[1]，光伏發(fā)電在社會(huì)發(fā)展與科技進(jìn)步方面發(fā)揮的作用也越來越大。光伏跟蹤系統(tǒng)能夠有效追蹤太陽輻射提高光伏電站的發(fā)電效率，傳統(tǒng)的單軸跟蹤模式根據(jù)轉(zhuǎn)軸的方向可分為水平單軸、豎直單軸和斜單軸[2]，文獻(xiàn)[3]提出在一年的不同時(shí)間段內(nèi)，通過手動(dòng)調(diào)節(jié)光伏組件相對水平面的傾角，可以顯著提高接收到太陽年輻射量20%～30%，采用這種方法雖然降低了成本，但也犧牲了跟蹤精度；文獻(xiàn)[4]提出了一種“斜面+楔形體+轉(zhuǎn)軸”的新型單軸跟蹤模式，雖然理論上提升了跟蹤精度，但該模型在運(yùn)行過程中角度變化并不平滑，跟蹤過程易出現(xiàn)故障；文獻(xiàn)[5]在跟蹤系統(tǒng)的控制方法角度上提出一種新的算法，對光伏系統(tǒng)的效率進(jìn)行提升；文獻(xiàn)[6]提出一種新的天氣類型劃分方法，然后對不同的斜面輻射模型進(jìn)行篩選，得出最優(yōu)結(jié)果，但均未提出新的跟蹤運(yùn)行方式。

光伏組件接收的太陽輻射主要由直接輻射部分和散射輻射部分構(gòu)成，其中直接輻射占主要部分。由于光伏跟蹤系統(tǒng)主要追蹤太陽輻射的直接輻射部分，在以太陽直接輻射為主的天氣類型下光伏跟蹤系統(tǒng)能以較高效率運(yùn)行[7]。因此，需要一種簡單有效的天氣類型劃分方法精確區(qū)分直接輻射為主的天氣，對不同光伏跟蹤模式的選擇提供指導(dǎo)。

針對上述研究中光伏跟蹤系統(tǒng)主要追蹤直接輻射分量，以及現(xiàn)有單軸跟蹤系統(tǒng)精度較低的問題，提出了一種新的天氣類型劃分方法，可以更精確地分辨出直接輻射分量占主體的天氣；以及一種新的單軸軌道式光伏跟蹤系統(tǒng)運(yùn)行方式，提高跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度，同時(shí)顯著提升光伏發(fā)電效益。

1 新型天氣類型劃分方法

1.1 數(shù)據(jù)來源

本文實(shí)例使用的地面輻射及常規(guī)氣象要素觀測資料來源于國家氣象信息中心，數(shù)據(jù)時(shí)間為完整一年。其中逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)包括水平面總輻射、直接輻射、散射輻射和反射輻射；氣象要素?cái)?shù)據(jù)包括總云量、能見度、降水等資料，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴(yán)格的質(zhì)量控制及檢查，質(zhì)量良好。

1.2 相關(guān)性分析

光伏發(fā)電效率與光伏組件表面接收到的太陽輻射量直接相關(guān)，氣象環(huán)境因子可以從各個(gè)角度描述氣象環(huán)境條件對太陽輻射產(chǎn)生的復(fù)雜影響[8]。為比較氣象環(huán)境因子對太陽輻射的影響程度，氣象環(huán)境因子與太陽輻射之間的相關(guān)性分析見表1。其中kT為清晰度指數(shù)，C為云量，RH為相對濕度，τb為大氣透射率，Bd為直射比，In和Id分別表示到達(dá)地面的法向輻射和散射輻射。

表1 直接輻射與氣象環(huán)境因子相關(guān)性分析

法向直接輻射與大氣透射率呈正相關(guān)，且最為顯著，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.994。其次是小時(shí)清晰度指數(shù)和直射比。對于光伏跟蹤系統(tǒng)而言，跟蹤的對象主要是太陽輻射的直射部分，故如何精確劃分出直射比較高的天氣類型至關(guān)重要。因此，選取大氣透射率τb作為評估光伏跟蹤系統(tǒng)模型性能表現(xiàn)的天氣類型劃分指標(biāo)。

1.3 相關(guān)性分析

當(dāng)大氣透射率τb為0 時(shí)，作為特例分為一類，其余數(shù)據(jù)則使用自組織映射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SOM 進(jìn)行聚類，聚類數(shù)目為4，聚類結(jié)果如表2 所示并顯示了每種天氣類型的份額；選取現(xiàn)有的一種精度較好的云量與清晰度指數(shù)交叉劃分的天氣分類方法作為對比。

表2 不同天氣類型分類標(biāo)準(zhǔn)

相比于現(xiàn)有交叉分類法，新分類法的天氣類型區(qū)分度更加明顯，不同類型天氣之間對于輻射的收益轉(zhuǎn)化層次更清晰。如圖1(a)所示如新分類法的Type1 天氣類型小時(shí)水平總輻射(單位：kWh/m2)明顯高于以往交叉分類方法的Type1 天氣，新型分類方法有明顯的遞增過渡，分別從Type5(0.386)～Type4(1.097)～Type3(1.582)～Type2(1.786)～Type1(2.201)遞增至最高；而以往分類方法Type5(0.274)～Type4(0.907)～Type3(2.054)～Type2(2.006)～Type1(1.804)先遞增后下降，在天氣類型Type3達(dá)到最高，相比較而言新型分類方法更加合理。另外從圖1(b)小時(shí)水平直接輻射看，Type1 天氣類型下新型分類方法的1.782 明顯高于交叉分類方法的1.336，可見新型分類方法對于直接輻射的篩選更加精確，因此更加適用于追蹤直接輻射的跟蹤式光伏系統(tǒng)的評估與指導(dǎo)。

圖1 水平面小時(shí)輻射

2 單軸軌道式跟蹤模型

2.1 工作原理

新型單軸軌道跟蹤系統(tǒng)整體上主要由旋轉(zhuǎn)軸、軌道兩部分組成，如圖2 所示。軌道作為該跟蹤模式的主要構(gòu)成部分，整體外觀大致呈一個(gè)“凸”字型，運(yùn)行過程如圖3 所示。上午時(shí)間段，太陽東升，光伏組件沿軌道朝向由東向南運(yùn)動(dòng),與正南方向夾角b為其方位角，光伏組件位于軌道較平緩段，此時(shí)組件傾角a最大，對應(yīng)上午時(shí)間太陽高度角較低平，保證陽光直接輻射組件；當(dāng)中午時(shí)刻，光伏組件沿軌道運(yùn)行至中間凸起部分，組件傾斜角度a變小，對應(yīng)為中午時(shí)刻太陽高度角最大點(diǎn)，同時(shí)組件方位角b與正南方向重合變?yōu)?；下午時(shí)間段，太陽西落，高度角降低，a與b再次變大。整個(gè)運(yùn)行過程通過旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)保持了對太陽方位角跟蹤，斜面傾角隨軌道變化實(shí)現(xiàn)了對太陽高度角的跟蹤，跟蹤效果顯著提升。

圖2 整體結(jié)構(gòu)圖

圖3 工作示意圖

2.2 數(shù)學(xué)模型

圖4 中，θT為光伏組件斜面上的太陽光入射角，β 為斜面傾角。水平面位置、斜面及斜面法向位置均在圖中標(biāo)示出。由圖4、圖5 可得光伏組件斜面上小時(shí)太陽總輻照量ITb與直射輻照量In之間的關(guān)系為：

圖4 光伏組件斜面太陽輻射模型

圖5 模型各角度關(guān)系

可以得到斜面與水平面上小時(shí)直射輻照量的比：

斜面總輻射由斜面直接輻射、散射輻射及反射輻射組成，計(jì)算公式如下：

式中：IT為小時(shí)斜面總輻射；Ib為水平面小時(shí)直接輻射；Id為水平面小時(shí)散射輻射；Ir為斜面反射輻射；Rb為斜面與水平面上直接輻射之比；Rd為斜面與水平面上散射輻射之比。

斜面反射輻射計(jì)算方法為：

式中：I為水平面總輻射；ρ 為地表反照率。

目前，斜面散射輻射算法分為各向同性模型和各向異性模型，其中Perez 模型在目前常用經(jīng)典模型中誤差相對較小[9]。Perez 模型將天空散射分解為環(huán)日散射輻射、地平散射輻射、其余穹頂均勻分布散射輻射三部分，計(jì)算公式如下：

式中：a=max(0,cosqT)；b=max(cos85°,cosqz)；F1為環(huán)日太陽系數(shù)；F2為水平亮度系數(shù)。

在赤道坐標(biāo)系中太陽高度角、天頂角和維度、赤緯角及時(shí)角的關(guān)系如下：

地平坐標(biāo)系中新單軸軌道式光伏組件角度模型如圖5 所示，可推導(dǎo)出計(jì)算太陽直射到該組件表面的入射角：

另外，光伏組件將太陽輻射轉(zhuǎn)化為交流電能的過程中需要通過光電轉(zhuǎn)換以及逆變兩個(gè)環(huán)節(jié)。

光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)[10]主要是太陽輻射經(jīng)過光伏電池或光伏陣列轉(zhuǎn)化為輸出直流功率的物理過程：

式中：Pdc為直流發(fā)電功率；ηpv為光電轉(zhuǎn)換效率；S為光伏陣列有效面積；K1為直流回路損失系數(shù)。

逆變器轉(zhuǎn)化效率ηinv表示逆變器輸出的交流發(fā)電功率與光伏陣列輸出最大直流發(fā)電功率的比值：

3 實(shí)例分析

3.1 模型仿真與分析

除了新單軸軌道式跟蹤模式外，本文還選取了固定斜面模式(最佳傾角)、垂直軸(方位角跟蹤)以及東西軸(高度角跟蹤)共四種跟蹤模式，使用MATLAB 進(jìn)行模型仿真，采用新型天氣分類方法，在不同天氣類型下采用不同的跟蹤模式進(jìn)行多方面對比分析。

3.2 跟蹤模式發(fā)電量收益分析

圖6 展現(xiàn)了不同跟蹤模式下全年發(fā)電總量情況，相比光伏組件水平面放置的發(fā)電收益，本文提出的單軸軌道跟蹤模式全年發(fā)電總量提升了33.98%，斜面最佳傾角放置提升了14.73%，東西軸跟蹤模式提升了17.73%，垂直軸跟蹤模式提升了28.89%，可見單軸軌道跟蹤模式在全年總發(fā)電量方面提升明顯。由圖7 可以看出，在全年各月發(fā)電量方面，軌道式新單軸相較于其它類型單軸有較明顯的優(yōu)勢。

圖6 不同跟蹤模式全年總發(fā)電量對比

圖7 不同跟蹤模式月發(fā)電量變化趨勢

3.3 不同跟蹤模式精度與穩(wěn)定性分析

3.3.1 穩(wěn)定性分析

變異系數(shù)Vσ、平均距平百分比Xd和穩(wěn)定度S是太陽輻射或其他變量波動(dòng)性的標(biāo)準(zhǔn)化量化指標(biāo)。變異系數(shù)和平均距平百分比的值越小，變量的波動(dòng)性越小，穩(wěn)定度則恰恰相反。

四種跟蹤模式的跟蹤穩(wěn)定性如表3 所示，對比可發(fā)現(xiàn)固定斜面最佳傾角方式的穩(wěn)定性最高，在三種單軸跟蹤模型中新單軸的穩(wěn)定性介于東西軸和垂直軸之間，穩(wěn)定度較好。

3.3.2 精度分析

分別選取春分日和夏至日作為典型日，分析不同跟蹤模式下的入射角度變化。入射角度數(shù)越小表明模型追蹤太陽直射的精度越高，而曲線變化率越大說明追蹤穩(wěn)定性越差，如圖8 所示。

圖8 典型日期太陽入射角變化

3.4 不同天氣類型下跟蹤模式分析

對比圖7 與圖9 可以發(fā)現(xiàn)，單軸軌道式跟蹤模型的各月發(fā)電量與Type1、Type2 兩種天氣類型的變化趨勢基本一致，這是由于跟蹤系統(tǒng)的主要輻射來源于直接輻射，而Type1、Type2 兩種天氣類型下的不同跟蹤模式的發(fā)電量占比分別為：固定斜面模式59.89%，垂直軸跟蹤模式61.6%，東西軸跟蹤模式61.33%以及新單軸跟蹤模式63.07%，直接輻射構(gòu)成了Type1、Type2 天氣類型下的主要發(fā)電來源，由此可見在這兩種天氣類型下采用新單軸跟蹤模式可獲得更高的發(fā)電收益。

圖9 Type1、Type2天氣類型分布

在表4 中可以看到不同天氣類型下不同跟蹤模式的單位時(shí)間發(fā)電量Ra，相應(yīng)的發(fā)電量占比Pa，以及平均值X。對所有四種跟蹤模式而言，在Type1、Type2、Type3 天氣類型下的單位時(shí)間發(fā)電量均高于該跟蹤模式的平均值，也就是說跟蹤模式應(yīng)盡量運(yùn)行于這三種類型的天氣條件下，這樣能以更高的效率獲得電能；而在Type1、Type2、Type3 天氣類型中，新單軸跟蹤模式均有最高的單位時(shí)間發(fā)電量，其次為垂直軸和東西軸；而在Type4 天氣類型下，垂直軸跟蹤模式具有更高的效率，Type5 天氣類型總發(fā)電量占比過小可忽略不計(jì)。

表4 不同天氣類型下不同的跟蹤模式的單位時(shí)間發(fā)電量 kWh

4 結(jié)論

本文提出了一種基于大氣透射率的新型天氣類型劃分方法，以及一種新型單軸軌道式光伏跟蹤模式，通過國家氣象信息中心的實(shí)際光伏觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，并對比了現(xiàn)有的光伏跟蹤模式，得出以下結(jié)論：

(1)從氣象因子相關(guān)性、小時(shí)輻照度，以及與現(xiàn)有天氣分類方法進(jìn)行對比，該分類方法具有良好的區(qū)分度以及對直接輻射分量的有效篩選，可用于跟蹤式光伏系統(tǒng)的選擇與指導(dǎo)。

(2)本文提出的軌道式單軸控制方式通過單軸旋轉(zhuǎn)與軌道的組合，同時(shí)滿足了對太陽高度角、太陽方位角的追蹤，仿真證明精度、穩(wěn)定性以及發(fā)電收益相對于現(xiàn)有單軸系統(tǒng)均有提高。

(3)在合適的天氣類型分類條件下，根據(jù)不同的天氣類型采用不同的跟蹤模式，可以顯著提高光伏跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量及效率，對實(shí)際安裝光伏跟蹤系統(tǒng)起到了一定的參考指導(dǎo)作用。