太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)

太陽能電池板自動跟蹤系統(tǒng)劉劍;李彤;陳兆華【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.【期刊名稱】《現(xiàn)代建筑電氣》【年(卷)，期】2016(007)002【總頁數(shù)】4頁(P58-61)【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【作者】劉劍;李彤;陳兆華【作者單位】沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽110168;沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽110168;沈陽建筑大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧沈陽110168【正文語種】中文【中圖分類】TU201.5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)夕卜專家學(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。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。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。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。⑶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°C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40C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。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40C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。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。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。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24h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。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。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。⑶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。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。李樹珍，石磊，張亮，等.基于視日運(yùn)動軌跡的太陽跟蹤裝置控制系統(tǒng)的研究[J].中國農(nóng)機(jī)化,2012(5):141-144.張偉.壓差式太陽能自動跟蹤器的研究[D].沈陽:東北大學(xué),2010.劉學(xué)東，邵理堂,孟春站，等雙軸轉(zhuǎn)動的太陽能自動跟蹤裝置研究和設(shè)計(jì)[J].能源工程,2010(3):37-39.王炳忠，湯潔.幾種太能位置計(jì)算方法的比較研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2001,22(4):413-417.王雪文.太陽能電池板自動跟蹤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].西北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,34(2):163-164.WANGX,WANGY,YANJ,etal.Designofautomatictrackcontrolsysteminsolarcell[J].JournalofNorthwestUniversity:NaturalScienceEdition,2004(2):10.ROTHP,GEORGIEVA,BOUDINOVH.Designandconstructionofasystemforsun-tracking[J].Renewableenergy,2004,29(3):393-402.曾忠利，李松柏,江紹明.小型極軸太陽能發(fā)電追蹤控制器的研制[J].電子科學(xué),2009(8):29-31.鄭小年，黃巧燕.太陽跟蹤方法及應(yīng)用[J].能源技術(shù),2003,24(4):149-151.KHANMTA,TANZILSMS,RAHMANR,etal.Designandconstructionofanautomaticsolartrackings