劉　劍,　李　彤,　陳兆華

(沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 遼寧 沈陽　110168)

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太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)

劉劍,李彤,陳兆華

(沈陽建筑大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院, 遼寧 沈陽110168)

摘要：概述了近些年來太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的類型、工作方式、控制方式、優(yōu)勢以及存在的問題。指出太陽能自動跟蹤系統(tǒng)是光伏系統(tǒng)充分利用太陽能的有效途徑,可有效提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率和太陽能的接收效率。

關(guān)鍵詞：太陽能自動跟蹤系統(tǒng); 光伏系統(tǒng); 系統(tǒng)類型; 控制方式

0引言

太陽能作為一種清潔無污染、儲能大的可再生能源,備受人們關(guān)注。太陽能儲量的無限性與其他能源存儲量的有限性相比,利用前景更為廣闊;太陽能資源分布的無限性,解決了資源短缺地區(qū)的難題。太陽能具有低密度、間歇性、空間分布不斷變化的特點(diǎn)[1],人們對其收集和利用提出了很高的要求。為解決這一問題,需提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換效率和接收效率[2]。國內(nèi)外專家學(xué)者對太陽能自動跟蹤方式、方法進(jìn)行了大量研究與應(yīng)用[1]。為了提高太陽能的利用率,本文專對太陽能自動跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)研究。

1太陽能自動跟蹤方式

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)是提高太陽能效率的重要方法。當(dāng)太陽光垂直照射到太陽能電池板時(shí)，太陽能的利用率最高。據(jù)試驗(yàn)[2],在相同條件下,太陽能發(fā)電中采用自動跟蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%,成本下降25%[3-4]。太陽能自動跟蹤方式主要有光電跟蹤方式、視日運(yùn)行軌跡跟蹤方式、時(shí)鐘式跟蹤、壓差式跟蹤、控放式跟蹤、電子追蹤、機(jī)械追蹤和GPS追蹤[5-7]等。不同的跟蹤方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。光電跟蹤方式和視日運(yùn)行軌跡跟蹤方式是最常見的跟蹤方式。

1.1光電跟蹤方式

光電跟蹤裝置通過光敏傳感器進(jìn)行太陽位置變化的檢測,從而對太陽及時(shí)跟蹤。將光敏器件完全對稱地安裝在靠近遮光板的兩側(cè),只有當(dāng)太陽光垂直照射在電池板上時(shí),光敏器件才能保持完全處于光照區(qū),使其輸出大小相同的兩個(gè)電信號,再輸入到放大比較電路中進(jìn)行處理(輸出信號為0),此時(shí)不起動跟蹤系統(tǒng)。當(dāng)太陽稍有偏移(即太陽光不垂直照射在電池板上)時(shí),則會在遮光板下產(chǎn)生陰影,遮光板兩側(cè)的光敏器件所接收的太陽光照強(qiáng)度不同,使得放大比較電路輸出信號差,當(dāng)信號差值達(dá)到一定閾值時(shí),電機(jī)驅(qū)動裝置將起動跟蹤系統(tǒng),減小偏差,直至信號差值為0時(shí)止,即電池板完成對太陽光的精準(zhǔn)跟蹤。光電式太陽跟蹤裝置基本原理如圖1所示。

圖1　光電式太陽跟蹤裝置基本原理

根據(jù)傳感器設(shè)計(jì)的不同,跟蹤裝置主要分兩種:單個(gè)感光元件自動跟蹤；多個(gè)感光元件同時(shí)對太陽的高度角和方位角自動跟蹤[8]。

(1) 二象限高度角跟蹤法。光學(xué)傳感器主要完成對太陽高度角的跟蹤,利用陰影區(qū)發(fā)生偏移,輸出微電信號作為信號偏差,微處理器根據(jù)偏差信號驅(qū)動機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整太陽能電池板角度,從而使其采光板法線平行于太陽光線。太陽方位角的變化較小,對其方位角的跟蹤可以編寫程序控制或人工定期調(diào)整。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,但是對太陽方位角跟蹤誤差較大。

(2) 四象限光電跟蹤法。以采光聚光頭為中心,在其上下左右兩兩對稱安裝兩對光學(xué)傳感器,4個(gè)不同位置的光學(xué)傳感器接收來自不同方向的太陽光,在透鏡焦點(diǎn)光斑偏離中心位置時(shí),微處理器就會根據(jù)接收到變化的信號驅(qū)動機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu),調(diào)整采光聚光頭的位置,從而實(shí)現(xiàn)對太陽的跟蹤。該裝置會一直跟隨太陽位置變化,雖然精度和太陽利用率有所提高,但跟蹤頭一直處于跟蹤的動態(tài),造成機(jī)械磨損嚴(yán)重。

(3) 五象限光電跟蹤法。以中心位置光敏傳感器為中心,5個(gè)光敏傳感器按十字排列,并將其放在上方位置開以小口下方敞開的圓柱內(nèi),利用單片機(jī)根據(jù)傳感器輸出電平的高低來判斷太陽的方向。雖然4個(gè)光敏傳感器與中心位置光敏傳感器組成電路比較簡單,但是跟蹤范圍較小,誤差相對較大。

光電跟蹤方式采用閉環(huán)控制,可以通過反饋消除誤差,使其太陽能電池板的發(fā)電效率最高,并且結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單,在不需要人為干涉的情況下可以完全自動對太陽進(jìn)行跟蹤,但光敏器件容易受環(huán)境中散雜光線和天氣情況的干擾,并且在多云天氣情況下為跟蹤云層邊緣的亮點(diǎn),電機(jī)不斷地往復(fù)運(yùn)動,造成機(jī)械執(zhí)行部件的磨損,在跟蹤過程易產(chǎn)生誤動作,從而降低了跟蹤裝置的穩(wěn)定性。

1.2視日運(yùn)動軌跡跟蹤方式

視日運(yùn)動軌跡跟蹤通過天文學(xué)公式計(jì)算出太陽高度角和方位角的理論值,按照當(dāng)?shù)靥枌?shí)際運(yùn)行軌跡編寫程序完成,再采用計(jì)算機(jī)程序控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,從而調(diào)整太陽能電池板的高度角和方位角,實(shí)現(xiàn)跟蹤裝置對太陽的跟蹤，這是一種通過開環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)的跟蹤。視日運(yùn)動軌跡系統(tǒng)根據(jù)跟蹤系統(tǒng)的軸數(shù),可分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)兩種。

1.2.1單軸跟蹤系統(tǒng)

單軸跟蹤根據(jù)轉(zhuǎn)軸的方位可以分為水平單軸跟蹤、傾斜單軸跟蹤、豎直單軸跟蹤;按照運(yùn)動機(jī)構(gòu)動力執(zhí)行件類型以及傳動系統(tǒng)類型，可以分為電動推桿單體結(jié)構(gòu)、電動推桿聯(lián)動結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)減速器單體結(jié)構(gòu)、回轉(zhuǎn)減速器聯(lián)動結(jié)構(gòu)。水平單軸跟蹤適合在緯度低于30 ℃的地區(qū)內(nèi)使用,可以提高20%~30% 的發(fā)電量。斜單軸跟蹤以及垂直單軸跟蹤適合在緯度高于40 ℃的區(qū)域使用,可以提高25%~35%的發(fā)電量。

單軸跟蹤方式的電池板只有在每天正中午時(shí)刻正對太陽,才能接收到最大的太陽光照能量。單軸跟蹤裝置雖然便于做成聯(lián)動結(jié)構(gòu),降低了動力結(jié)構(gòu)以及控制系統(tǒng)的成本,但不能保證電池板時(shí)刻與太陽光線保持垂直,故太陽能的利用效率不高。單軸太陽跟蹤裝置原理如圖2所示。

圖2　單軸太陽跟蹤裝置原理

1.2.2雙軸跟蹤系統(tǒng)

雙軸跟蹤對太陽的高度角和方位角同時(shí)進(jìn)行跟蹤,以保證時(shí)刻接收太陽光照的最大能量,但是很難做成聯(lián)動方案,組件數(shù)量受到限制,控制系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備維護(hù)麻煩。該方式適合在緯度高于40 ℃的地區(qū)使用,可提高35%~45%的發(fā)電量。雙軸跟蹤以坐標(biāo)系劃分依據(jù),分為極軸式和高度角-方位角式全跟蹤。

(1) 極軸式全跟蹤。極軸是指平行于地球自轉(zhuǎn)軸指向天球北極的一個(gè)軸,而把與極軸相垂直的一個(gè)軸稱為赤緯軸[8]。跟蹤機(jī)構(gòu)工作時(shí)繞極軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn),設(shè)定其轉(zhuǎn)速應(yīng)與地球自轉(zhuǎn)的角速度大小相同而方向相反。此外,赤緯軸需要根據(jù)季節(jié)的變化進(jìn)行裝置調(diào)節(jié),以適應(yīng)太陽赤緯角的變化。

極軸式跟蹤裝置雖然相對簡單,而赤緯軸的俯仰轉(zhuǎn)動是為了跟蹤太陽高度變化,但結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸線,加大了設(shè)計(jì)極軸支撐裝置的難度,如圖3所示。

圖3　極軸太陽跟蹤裝置原理

(2) 高度角-方位角式全跟蹤。該太陽跟蹤方法基于地平坐標(biāo)系的二維跟蹤,機(jī)構(gòu)的方位軸即垂直于地平面,而與方位軸垂直的軸稱為俯仰軸[9]。為了跟蹤太陽的方位角變化,跟蹤機(jī)構(gòu)繞方位軸轉(zhuǎn)動;為了跟蹤太陽的高度角,跟蹤機(jī)構(gòu)繞俯仰軸做俯仰運(yùn)動,保證太陽光線垂直照射在太陽能電池板上。當(dāng)太陽的位置隨著時(shí)間發(fā)生變化時(shí),二維跟蹤系統(tǒng)通過起動方位軸做相應(yīng)調(diào)整來跟蹤太陽的方位角,同時(shí)起動俯仰軸做相應(yīng)調(diào)節(jié)來跟蹤太陽的高度角,使得太陽光線垂直照射到太陽能電池板上。該跟蹤方式精度高,穩(wěn)定性較高,方位軸作為支撐軸,簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。高度-方位角式太陽跟蹤裝置原理如圖4所示。

視日運(yùn)動軌跡跟蹤方式避免了散雜光線的影響,可靠性比較高,但太陽高度角和方位角的計(jì)算會產(chǎn)生誤差,機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)在安裝、運(yùn)行時(shí)也會產(chǎn)生系統(tǒng)誤差,并在每次運(yùn)行前都需要一次精確定位。該系統(tǒng)采用開環(huán)控制,一旦出現(xiàn)誤差,不能自動消除。

圖4　高度-方位式太陽跟蹤裝置原理

1.3時(shí)鐘式跟蹤

時(shí)鐘式跟蹤以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽,該轉(zhuǎn)速是由地球自轉(zhuǎn)速度決定的,大約24 h一周,而太陽運(yùn)動的時(shí)角是自東向西勻速變化的[10],因此可以看成是對太陽時(shí)角的跟蹤。

該電路設(shè)計(jì)簡單,結(jié)構(gòu)簡單,便于制作,并且控制系統(tǒng)簡單,但存在跟蹤精度不高的缺點(diǎn),需要人為定期進(jìn)行校正。

1.4壓差式跟蹤

壓差式跟蹤裝置的采光板南北放置,其傾角可按季節(jié)的不同進(jìn)行手動調(diào)節(jié)[10]。

該結(jié)構(gòu)比較簡單,制作費(fèi)用低,靈敏度高,純機(jī)械式,不需要外接電源,但機(jī)構(gòu)剛度低,工作空間受限，一般只用于單軸跟蹤,只能每隔一段時(shí)間重新對準(zhǔn)陽光,跟蹤精度特別低,無法自動跟蹤太陽。

1.5控放式跟蹤

控放式跟蹤裝置對太陽方位角進(jìn)行單向跟蹤,操作時(shí)在太陽能接收面板西側(cè)安放一偏重,作為太陽能向西偏轉(zhuǎn)的動力,并對此動力的釋放加以控制,使鏡面隨太陽的西偏而轉(zhuǎn)動[11]。

該裝置能實(shí)時(shí)跟蹤,成本低,無需外接電源,收集到的能源可充分轉(zhuǎn)化利用,但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,剛度較低,不適用于野外惡劣的工作環(huán)境,特別是大風(fēng)會對裝置造成大的影響。

1.6電子追蹤式

電子追蹤一般都是科研單位或大型企業(yè)為了進(jìn)行某一項(xiàng)研究而專門設(shè)計(jì)制造,跟蹤精密度高,但容易損壞,裝置造價(jià)高。

1.7機(jī)械追蹤

機(jī)械追蹤內(nèi)部一般都有發(fā)條和加速裝置[2]，結(jié)構(gòu)簡單,且控制系統(tǒng)也十分簡單,但誤差隨著時(shí)間的積累而越來越大,機(jī)械類的追蹤裝置一般比較笨重且體積龐大,在運(yùn)輸、安裝和維修時(shí)會相當(dāng)麻煩。

1.8GPS追蹤

GPS追蹤對太陽能的判斷已超出了地球的范圍,通過地外檢測控制大規(guī)模的太陽能電池矩陣來接收偏轉(zhuǎn)方向，跟蹤精度高,但裝置造價(jià)昂貴。

2發(fā)展方向及趨勢

(1) 綜合化。采用光控和時(shí)控同步跟蹤。在天氣狀況良好時(shí)或根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選擇最佳時(shí)間段進(jìn)行光控跟蹤;在陰雨天氣,以及每天的早晚時(shí)間段采用時(shí)控跟蹤,保證在去除環(huán)境光污染的情況下及時(shí)跟蹤太陽。

(2) 智能化。通過判斷天氣情況,自動選擇跟蹤系統(tǒng),且可以區(qū)分太陽光和環(huán)境散雜光。系統(tǒng)可以在不同情況下判斷光控跟蹤方式和視日運(yùn)行軌跡跟蹤方式接收太陽能效率的高低,并在這兩種方式中作出選擇。

(3) 視覺化。太陽所形成的光斑位置不斷變化,通過采用攝像頭定時(shí)自動對光斑拍照,再對前后兩張圖片中光斑檢測、匹配,利用控制系統(tǒng)及時(shí)調(diào)整太陽能電池板的方向,實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。

3結(jié)語

太陽能自動跟蹤系統(tǒng)使用一定的控制策略進(jìn)行太陽方位跟蹤,使太陽能光伏系統(tǒng)高效率、全天候運(yùn)行,以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。目前，自動跟蹤系統(tǒng)適用于我國大部分地區(qū),根據(jù)太陽能自動跟蹤裝置的原理、控制方式以及適用區(qū)域,可選擇最佳跟蹤方式。

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Solar Panels Automatic Tracking System

LIUJian,LITong,CHENZhaohua

(Informatiom & Control Engineer Institude of Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract：This paper summarized the system types,working modes,control modes,advantages and existing problems of solar energy automatic tracking system in recent years. It is pointed out that the solar energy automatic tracking system is an effective way to make full use of solar energy for solar energy photovoltaic system,which improves the energy conversion efficiency of solar energy equipment and the receiving efficiency of solar energy.

Key words:solar energy automatic tracking system; photovoltaic system; system types; control mode

收稿日期：2015-07-31

中圖分類號：TU 201.5

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-8417(2016)02-0058-04

李彤(1991—),女,碩士研究生,研究方向?yàn)樘柲茏詣痈櫹到y(tǒng)。

陳兆華(1992—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)闄C(jī)器視覺。