楊康， 張劍鋼， 李景天， 劉祖明， 謝明達， 戴娟， 許海園， 馬銘

（云南師范大學(xué) 太陽能研究所，云南省農(nóng)村能源工程重點實驗室，云南 昆明650092）

為了提高光伏電站的發(fā)電效率，越來越多的光伏電站開始考慮安裝太陽跟蹤系統(tǒng).跟蹤系統(tǒng)主要分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩大類，雙軸跟蹤系統(tǒng)由于投入成本較高（相對于單軸跟蹤）、穩(wěn)定性差等原因使其適用性降低［1－4］；單軸跟蹤是通過改變單一運行軌跡，尋找最佳入射角或最大光照強度方位的跟蹤方式.單軸跟蹤方式較固定放置方式提升了太陽能利用效率，相對于傾斜面放置方式可提升約23%，相對于水平面放置方式可提升38%左右［5］.一般情況下，選擇單軸跟蹤更為經(jīng)濟.

常用的太陽能跟蹤控制方法主要有以下兩種：視日運動軌跡控制方法和傳感器檢測光強控制方法［6］.視日運動軌跡跟蹤方式成本相對低，能夠在各種復(fù)雜天氣情況下運行，基本不受天氣變化的影響，但是跟蹤過程中不能消除產(chǎn)生的累積誤差，導(dǎo)致不能充分接受太陽輻射能.傳感器跟蹤方式靈敏度高，結(jié)構(gòu)設(shè)計較為方便，易于實現(xiàn)，但受天氣影響大，如果遭遇長時間烏云遮擋或者陰天，跟蹤裝置會不動作而無法對準(zhǔn)太陽，甚至?xí)霈F(xiàn)誤動作［7－8］.但傳感器跟蹤方式多選用光敏電阻作為光強檢測器件，比較昂貴，同時隨著時間的增長，光敏電阻的性能會大幅降低，尤其在被灰塵覆蓋后，檢測效果會大大降低，甚至影響到系統(tǒng)的使用［9］.兩種跟蹤方法都是以提高跟蹤精度來增加太陽電池的發(fā)電量，需要轉(zhuǎn)動裝置頻繁執(zhí)行跟蹤動作，以及復(fù)雜的控制程序，導(dǎo)致實際運行中故障頻頻發(fā)生.因此，當(dāng)前多數(shù)研究人員考慮將光電跟蹤與視日跟蹤相結(jié)合，揚長補短.采用該思路，本設(shè)計選取靈敏度高、穩(wěn)定性佳、使用壽命長的光伏電池作為光強檢測器件，將其以相同朝南傾角安置于跟蹤系統(tǒng)附近，提供光強信號，同時對跟蹤步長進行優(yōu)化，選取合適的跟蹤步長和跟蹤次數(shù).

1 控制策略設(shè)計

選取STC12C5X系列增強型8051內(nèi)核單片機作為系統(tǒng)CPU芯片，該芯片具有1 280byte的片內(nèi)RAM數(shù)據(jù)存儲器，8～64Kb的片內(nèi)Flash程序存儲器，以及8通道10位高速ADC，速度可達25萬次／秒，而且片內(nèi)有EEPROM功能，方便對重要數(shù)據(jù)的存儲，防止突然掉電時數(shù)據(jù)的丟失.系統(tǒng)采用三杯式電壓輸出型風(fēng)速傳感器來檢測風(fēng)速，量程為0～30m／s，風(fēng)速分辨精度0.2m／s，輸出信號0～5V，表1為風(fēng)速大小與電壓值對照表.

通過實時測量風(fēng)速、開路電壓、短路電流（以正朝南23°傾角放置的參考組件），判斷天亮、天黑、有無陽光、風(fēng)速大小，給出不同情況下的執(zhí)行動作，達到減少跟蹤動作、降低跟蹤系統(tǒng)的投資成本等目的.系統(tǒng)使用內(nèi)部時鐘信號，但是每天監(jiān)測到天亮之后重新計時，從而不會產(chǎn)生時間累計誤差.

表1 風(fēng)速大小與輸出電壓值的對應(yīng)關(guān)系Table 1 Correspondence between the wind speed and the output voltage

在輻照度波動較小時，通過調(diào)節(jié)電池板面法線與太陽入射光線的夾角，測量不同夾角下，電池板（峰值功率130W，開路電壓21.9V，短路電流8.02A，最大功率點電壓17.6V，最大功率點電流7.39A）的短路電流大小.經(jīng)多次測量、對比后發(fā)現(xiàn)，夾角在0～5°變化時，短路電流在0.05A范圍內(nèi)波動（3.2～3.3A）.也就是說，在電池板面的法線與太陽光線有5°左右的夾角時，電池板的輸出功率大致減少了1%～2%.因此，本設(shè)計選取10°左右作為單次跟蹤角度.

由于白天時長每日都在輕微變化，冬、夏兩季的白天時長相差較為明顯，所以，本設(shè)計以白天時長為依據(jù)，將全年分為春秋季模式、夏季模式、冬季模式三套方案.冬季白天時長短，設(shè)置系統(tǒng)跟蹤的極限角度??；夏季白天時長長，設(shè)置系統(tǒng)跟蹤的極限角度大；春秋季系統(tǒng)的跟蹤角度選取以上兩個極限角度之間的某一值.每日的跟蹤次數(shù)都為14次，單次跟蹤角度分別為9.9°、10.8°、11.7°，使東向跟蹤起始角在幾種模式下分別為69.3°、75.6°、81.9°.早上、下午的跟蹤間隔大，中午跟蹤間隔小.以正午為對稱中心，早上與下午的跟蹤間隔對應(yīng)相等.從東向跟蹤起始角到東西水平位需要轉(zhuǎn)動7次，后一次跟蹤間隔相對前一次有不同程度的調(diào)整.

開機運行，系統(tǒng)讀取白天時長并選擇轉(zhuǎn)動模式，然后開始檢測參考組件的開路電壓、短路電流以及風(fēng)速大小.1分鐘檢測1次，以5分鐘的檢測結(jié)果作為判斷依據(jù).通過對測量結(jié)果的判斷，系統(tǒng)將確定出白天、黑夜、有無陽光、是否跟蹤、是否執(zhí)行抗風(fēng)措施等.當(dāng)系統(tǒng)檢測到天亮?xí)r，T1、T3計時開始.T3計時溢出時（注：T1為白天時長，T2為跟蹤間隔計時，T3為日出時長，T4為日落時長），若短路電流和風(fēng)速滿足要求，組件會直接轉(zhuǎn)動到東限位，完成對太陽的第一次追蹤；若短路電流過小或風(fēng)速過大，組件會繼續(xù)保持東西水平位，直到短路電流和風(fēng)速都滿足跟蹤要求，且第一個跟蹤間隔計時未滿，組件會轉(zhuǎn)動到東限位.在全天運行中，系統(tǒng)只要檢測到風(fēng)速大于12m／s，或者在一組檢測結(jié)果中，風(fēng)速有3次及以上達到或超過8m／s，且組件不在水平位置，系統(tǒng)會馬上對組件進行歸位，不再進行跟蹤，但T2仍在重復(fù)計時、溢出、賦值.

圖1 系統(tǒng)程序框圖Fig.1 Block diagram of the system

到了下午七點半左右，輻照度迅速降低，參考電池板的開路電壓也隨之快速下降，當(dāng)系統(tǒng)檢測到開路電壓下降到下限以下時，組件回歸到東西水平位，T1停止計時.此后，系統(tǒng)會判斷T1是否在合理的范圍之內(nèi)，并修正內(nèi)部的白天時長.如果T1合理，處理器會結(jié)合前一天的白天時長通過算法修正、改寫內(nèi)部存儲空間的白天時長；如果T1不合理，則放棄當(dāng)日所測白天時長，次日繼續(xù)使用內(nèi)部時長.

2 運行結(jié)果分析

輻照度對太陽電池組件的短路電流影響很大，而對開路電壓影響很小，組件的發(fā)電量主要取決于其接收到的輻照度大小，因此，通過對比短路電流或者輻照度累計值就可以估量系統(tǒng)的發(fā)電量.為對比單軸跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)越性，對固定式系統(tǒng)與單軸跟蹤系統(tǒng)選取相同規(guī)格的電池組件（峰值功率130W，開路電壓21.9V，短路電流8.02A，最大功率點電壓17.6V，最大功率點電流7.39 A），并均以正朝南11°傾角安裝.使用數(shù)據(jù)采集儀測量記錄兩個系統(tǒng)的開路電壓和短路電流，同時，使用自動氣象站記錄兩個系統(tǒng)中電池板面接受到的太陽輻照度累計值，5秒測量1次，然后對1小時內(nèi)的數(shù)據(jù)取平均值列于表2.

表2 兩種系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù)Table 2 Run data of the two systems

從表2可以看出，早上7點15分到11點15分和下午15點15分到19點15分兩個時間段內(nèi)，固定式系統(tǒng)與單軸跟蹤系統(tǒng)的電池板面所接收到的太陽輻照度相差較大，單軸跟蹤系統(tǒng)所接收到的輻照度甚至比固定式系統(tǒng)增加了232.57%，電池板的短路電流也因此有明顯差異；11點15分到15點15分，由于兩個系統(tǒng)角度基本相同，它們的短路電流相差較小.跟蹤效果見圖2、圖3，圖中開路電壓有非正常波動，這是由于傳感器本身原因造成，但通過取平均值，也可以得出開路電壓隨太陽輻照度變化不明顯（跟蹤式比固定式略微低一點）.

圖2 全天開路電壓變化情況Fig.2 Changes of Vocin a day

圖3 全天短路電流變化情況 Fig.3 Changes of Iscin a day

上述對比說明，新型單軸跟蹤系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確 跟蹤太陽，在早上、下午太陽高度角較小時，相對于固定式系統(tǒng)具有明顯優(yōu)勢.通過對系統(tǒng)近一個月的運行數(shù)據(jù)分析可知，新型單軸跟蹤系統(tǒng)相對固定式系統(tǒng)的太陽能利用率提高了21%左右，大步長的跟蹤是行之有效的.

3 結(jié)束語

控制系統(tǒng)不需要累計計時，避免了因時鐘芯片引來的時間累計誤差問題或使用衛(wèi)星定時的成本和穩(wěn)定性的問題.跟蹤參數(shù)由連續(xù)一段時間的實際測量值決定，不會因突發(fā)的陰雨天、多云、連續(xù)遮陰等因素對跟蹤的準(zhǔn)確性造成影響.系統(tǒng)選取靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長的光伏電池作為光強檢測器件，將每日所測得的白天時長作為計算跟蹤所需要的單次跟蹤角度和跟蹤間隔的重要參數(shù)，計算簡單，卻又具有較高的跟蹤準(zhǔn)確性.對每日跟蹤次數(shù)做了優(yōu)化，選取恰當(dāng)?shù)母櫜介L，使得系統(tǒng)的控制得以簡單化，故障率自然會大大降低.總的來說，系統(tǒng)的控制電路簡單、硬件設(shè)備少、投資成本低、運行高效可靠，在跟蹤精度要求不高而穩(wěn)定性要求高的地方值得推廣應(yīng)用.

［1］WENHAM S R，GREEN M A，WATT M E，et al.應(yīng)用光伏學(xué)［M］.狄大衛(wèi)，高兆利，韓見殊，等譯.上海：上海交通大學(xué)出版社，2008.

［2］沈輝，曾祖勤.太陽能光伏發(fā)電技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

［3］王長貴，王斯成.太陽能光伏發(fā)電實用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

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