光伏发电跟踪系统的研究

光伏发电跟踪系统的研究

陈小玲

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心   天津市  300304

摘要：在面对能源危机时，太阳能应用技术以其独特的绿色环保可持续的优势得到人们的青睐。光伏发电系统的输出特性不仅与负载有关，而且还受外部环境的影响，其中太阳跟踪技术是提高太阳能接收效率的关键技术,而太阳跟踪系统在太阳跟踪技术中扮演着极其重要的角色，跟踪系统实现了对太阳的自动跟踪，使太阳光基本垂直入射到太阳能电池板上，提高了太阳能电池板的发电量。因此,研究太阳跟踪系统在太阳跟踪技术和能源利用方面有着重要意义。

关键词：光伏发电；跟踪系统；单轴；双轴

引言：目前，光伏发电系统多采用固定式，这种系统发电效率低，若采用自动跟踪式，同等条件下，采用自动跟踪系统的光伏发电量要比普通固定式的光伏发电量提高30%左右，因此研究太阳能电池板追日自动跟踪具有重要意义，它不仅能提高光伏发电效率，降低发电成本，还将进一步促进光伏发电产业的发展。

一、太阳运动规律

太阳每天从东向西运动，高度角和方位角在不断改变,同时在一年中，太阳赤纬角还在-23.45°～23.45°之间来回变化。其中，太阳位置在东西方向的变化是主要的，在地平坐标系中，太阳的方位角每天差不多都要改变180°, 而太阳赤纬角在一年中的变化也只有46.9°。

二、光伏方阵的分类

光伏方阵的安装方式对接收太阳总辐射量有很大影响，从而影响发电能力和效率。光伏方阵按照安装方式的不同分为固定式和跟踪式两种类型。

2.1固定式安装

固定式安装，即光伏组件固定在某个角度，不随太阳位置的变化而变化，原则是保证光伏阵列所接收的辐射量最大，具体可以分为最佳倾角固定式和固定可调式，目前应用最多的是最佳倾角固定式。

2.2 跟踪式安装

因为太阳光存在密度低、间歇性、光照方向和强度不断随时间变化等问题，据推算，如果光电系统与太阳光线角度存在25°偏差，就会因垂直入射的辐射能减少而使光伏阵列输出功率下降10%左右。因此为了提高光伏系统的发电量，工程上通常采用跟踪式安装。

跟踪式安装分为单轴跟踪和双轴跟踪两种类型。单轴跟踪具体分为水平单轴跟踪、斜单轴跟踪和垂直单轴跟踪。单轴跟踪主要跟踪方位角，双轴跟踪主要跟踪方位角和高度角，具体的跟踪系统如下图所示。跟踪式光伏发电系统由传感器、识别处理电路和伺服系统(动力执行机构)三部分组成，采用数字芯片完成识别和伺服等信息的处理，可伺服各种普通电动机、步进电动机。跟踪式光伏电站由主机械支撑结构、方位角跟踪机构、仰角跟踪机构组成。以水平轴为例:跟踪只需要调整光伏方阵主轴旋转角，从而准确跟踪太阳的时角，并不跟踪太阳赤纬角，跟踪有固定的赤纬误差和纬度差。

跟踪系统的选择应符合下列要求:

1)跟踪系统的选型应综合考虑安装地点的环境情况、气候特征等因素，经技术经济比较后确定。

2)水平单轴跟踪系统宜安装在低纬度地区。

3)倾斜单轴和斜面垂直单轴跟踪系统宜安装在中、高纬度地区。

4)双轴跟踪系统宜安装在中、高纬度地区。

5)容易对传感器产生污染的地区不宜选用被动控制方式的跟踪系统。

6)宜具备在紧急状态下通过远程控制将跟踪系统的角度快速调整至受风最小位置的功能。

2.2.1跟踪方式

跟踪系统的控制方式分为主动控制方式、被动控制方式和复合控制方式。

1）主动控制方式又称为天文控制方式或时钟控制方式，是根据地理位置和当地时间实时计算太阳光的入射角度，通过控制系统使光伏方阵调整到指定位置。

2）被动控制方式。被动控制方式是指通过感应器件测量出太阳光的入射角度，从而控制光伏方阵旋转并跟踪太阳光入射角度。被动控制方式又称为光感控制方式。

3）复合控制方式。复合控制方式是主动控制和被动控制相结合的控制方式。

2、2、2跟踪技术

1）光控跟踪技术

光控太阳能跟踪技术纯粹利用太阳光线制导，这种跟踪技术主要通过以下传感器实现信号采集：晶体硅光敏器件和砷化镓光敏器件，其温度适应性能强，工作较为可靠。光控太阳能跟踪的工作原理有以下两种:一种是受光面平行法，依靠阴影遮挡使布置在方阵上的若干个光敏器件出现电压或电流的差异为电路提供信号，这种方法探测太阳范围广，性能稳定,工作可靠；另外一种方法是利用暗合投影的原理，当太阳出现偏离时，激发传感器件输出差异信号进行工作，这种传感方法的显著优点是跟踪精度高，缺点是探知太阳偏离位置的角度范围太有限，无法实现大角度搜索跟踪。光控太阳能主控制电路最好选用数字电路，因为模拟电路的待机损耗太大，且故障率较高。光控太阳能跟踪技术的缺点是完全依赖太阳光，一旦出现阴雨天，系统就无法实现跟踪，而一旦天气忽阴忽晴，系统会忽跟忽停或者直接放弃跟踪。

2）时控跟踪技术

时控太阳能跟踪技术就是利用数字化单片机时间控制电路,定时跟踪，这种跟踪方法技术可靠,性能稳定，跟踪精度可达 0.5°。其优点是不受阴雨天影响,跟踪可靠、性能稳定;缺点是没有光控跟踪方法的跟踪精度高。

3）光控和时控复合跟踪技术

光控和时控复合跟踪技术是针对天气忽阴忽晴、变化莫测的特点研发的。光控和时控复合跟踪技术的跟踪方式:当晴天时,系统会自动转人光控跟踪，跟踪精度不大于0.1°;当阴天时,跟踪系统自动转人时控跟踪,跟踪精度不大于0.5°。这样,天气在由阴转晴的瞬间，跟踪控制系统仅仅在0.5°～0.1°的跟踪精度范围内调整。这就大大缩短了系统跟踪到位的所需时间，最大限度地提高了太阳能的采集利用率。光控和时控复合跟踪系统是比较理想的跟踪方式,值得推广。

4）跟踪系统用电动机及减速机

用于太阳能跟踪系统的电动机可以是直流电动机也可以是交流电动机,可以是步进电动机或伺服电动机。跟踪用减速机的传动间隙不能过大,以免因间隙过大使系统出现较大幅度的抖动。一般的跟踪用减速机,要求其末级输出必须是较为精密的蜗轮蜗杆减速装置，以承受较大的脉冲负荷的冲击。

结语：本文对固定式和跟踪式光伏方阵简单分类，并比较了二者的优缺点，在设计和建设光伏方阵时，要因地制宜综合考虑。除此之外，由于太阳能的辐射密度低,太阳照射到地面上的平均光强只有1000 W/m2，所以研发了聚光光伏发电系统，其可以提供更高效率的系统,且最大可能地降低成本，为光伏发电系统提供新的发展方向和思路。

参考文献：

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[4] 王万乐. 光伏发电双轴跟踪系统的研究与设计 [D]. 山东科技大学,2020.