陳 沖，姜春寶，耿曉明

(1.重慶川儀股份有限公司，重慶 400700；2.中華人民共和國惠州海關，廣東 惠州 516006)

0 引言

光伏發(fā)電作為太陽能利用的主要形式之一，在全球得到了廣泛應用[1]。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用固定安裝方式，但由于太陽能存在光照間歇性和方向周期變化的特點，導致太陽能發(fā)電效率不高[2]。另外，光伏電站所處的氣候環(huán)境各異，在設計時需要考慮抵御各種自然災害(如大風、大雪、揚塵等)。本文通過對光伏發(fā)電自動追蹤系統(tǒng)的技術和應用現(xiàn)狀進行綜合分析，設計了一種基于視日運動軌跡追蹤的平單軸太陽自動追蹤系統(tǒng)，在有效提升發(fā)電效率的同時，實現(xiàn)了低成本控制和提升光伏電站的氣候適應能力。

1 光伏電站自動追蹤技術發(fā)展概述

比較常見的太陽能自動追蹤方式有光電檢測追蹤和視日運動軌跡追蹤[3]。

光電檢測追蹤[4]是一種閉環(huán)的隨機系統(tǒng)，主要利用光敏傳感器對太陽光進行檢測，控制伺服系統(tǒng)動作，調整角度使追蹤裝置對準太陽，完成追蹤[5]。光電檢測追蹤的優(yōu)點是追蹤靈敏度高、結構設計較簡單；缺點是受天氣等影響比較大，可能會導致執(zhí)行機構誤動作。

視日運動軌跡追蹤[6]是一種開環(huán)的程控系統(tǒng)，基于當前時間和當?shù)亟浘暥扔嬎闾柕母叨冉?、方位角等信息，控制?zhí)行機構進行追蹤[7]。該方法的優(yōu)點是追蹤與太陽光線強度無關，不受天氣、灰塵覆蓋等影響，但精度沒有光電追蹤高。光伏電站追蹤系統(tǒng)根據(jù)軸數(shù)可分為單軸和雙軸[8]兩種。單軸追蹤的入射光線不能始終與主光軸平行，會導致發(fā)電效率偏低，但由于結構簡單而比較常用。單軸跟蹤系統(tǒng)根據(jù)轉軸的方位可以分為平單軸跟蹤、傾斜單軸跟蹤和豎直單軸跟蹤三種。其中，平單軸跟蹤系統(tǒng)主要針對大型電站建設，性價比較高，廣泛應用于低緯度地區(qū)。該系統(tǒng)的特點是只需采用一套驅動裝置和控制器就可以使整個陣列實現(xiàn)自動跟蹤，采用聯(lián)動式結構，系統(tǒng)可靠性高，維護成本低，同時能夠對各種天氣(雨、雪、大風等)進行自動識別和保護。

本文主要針對大型光伏電站，從發(fā)電效率、安裝成本、日常維護等因素綜合考慮，采用平單軸跟蹤系統(tǒng)。同時，采用集中控制的方式，由控制主站統(tǒng)一完成工作模式判斷、光伏板角度計算等工作，發(fā)送控制指令到每個分站執(zhí)行，從而有效降低控制系統(tǒng)成本。

2 自動追蹤系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)架構

太陽自動追蹤系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1 太陽自動追蹤系統(tǒng)架構圖Fig.1 The architecture diagram of solar automatic tracking system

每個光伏電站由一個集中控制主站和若干個控制分站構成。

集中控制主站是整個光伏電站的控制中心。上行通信連接至互聯(lián)網，可以進行光伏電站遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)查詢等工作。下行通信通過433 MB頻段的無線通信連接至若干個控制分站，主站與分站之間的通信協(xié)議使用成熟的Modbus RTU協(xié)議棧?？刂浦行募扇蚨ㄎ幌到y(tǒng)(global positioning system,GPS)模塊、照度、風速風向、積雪厚度、雨量等傳感器，用于計算和判斷當前控制模式，并周期下發(fā)至控制分站，同時完成分站定時巡檢、發(fā)電量統(tǒng)計等工作?？刂品终居糜谕ㄟ^無線通信接收主站發(fā)送的控制指令，驅動電機完成光伏板的角度調節(jié)，同時反饋光伏板的角度、工作狀態(tài)等信息。

2.2 主要算法及工作模式

①太陽追蹤算法。

正常的太陽追蹤算法是通過周期性調節(jié)轉動軸電機的角度，保持太陽能電池板與太陽照射方向垂直。角度通過計算太陽的高度角和方位角獲得[9]。

太陽高度角α和方位角β的計算公式為：

α=arcsin(sinq×sinr+cosq×cosr×cost)

(1)

(2)

式中：q為當?shù)氐木暥龋捎蒅PS設備獲得；t為太陽時角，等于當時的時間與中午12點的小時數(shù)差值乘以15°；r為太陽赤道緯度角。

r的計算公式為：

(3)

式中:T為當年的天數(shù)，即從當年1月1日算起，計算到當時的天數(shù)。

②逆向跟蹤陰影躲避算法。

逆向跟蹤示意圖如圖2所示。

在早晨和傍晚時，由于太陽光線與地面夾角較小，當光伏陣列的間距比較小時，會在相鄰組件上留下陰影，如圖 2(a)所示。這將降低發(fā)電效率，并且可能導致光伏模塊產生熱斑效應而縮短壽命。因此，可以通過逆向跟蹤算法來消除陰影遮擋的影響。

圖2 逆向跟蹤示意圖Fig.2 Reverse tracking diagram

此時，需要調節(jié)光伏板角度，避免遮擋臨排光伏組件。已知θ、L、W，求夾角γ：

(4)

③主要工作模式。

工作模式即光伏板角度的調節(jié)方式，按控制方式分為手動模式和自動模式。手動模式下，由操作員手動控制光伏板角度；自動模式下，由主控站根據(jù)實際情況自動判斷當前的運行模式。自動模式分為正常追蹤模式、逆向跟蹤模式、夜間模式、陰天模式、大風保護模式、積雪模式和清洗模式等。

在正常情況下，白天運行正常追蹤模式，早晚運行逆向跟蹤模式。若檢測到風速超過一定閾值，且風向基本與軸向垂直，則進入大風保護模式，中間一排水平，兩邊成八字形，降低光伏板風阻。當檢測到光伏板上積雪厚度(通過物位計檢測)超過3 cm或大雨時，進入積雪模式或清洗模式，光伏板呈最大傾角放置。

2.3 主控站設計

主控站的控制算法和數(shù)據(jù)處理采用工業(yè)控制計算機實現(xiàn)，外接UM402無線通信透傳模塊、GPS模塊、照度、風速風向、積雪厚度、雨量、電量統(tǒng)計等傳感器。其中，GPS模塊用于獲取經緯度和時間，照度、風速風向、積雪厚度和雪量傳感器等用于綜合判斷當前氣候情況。主控站周期性地通過時間、經緯度地理信息和氣候情況確定當前控制模式，根據(jù)控制模式計算光伏板的角度，并將時間、角度等數(shù)據(jù)下發(fā)至控制子站。

控制模式判斷流程如圖 3所示。

圖3 控制模式判斷流程圖Fig.3 Control mode calculating flow chart

控制模式由控制條件和執(zhí)行內容組成?？刂茥l件即控制模式成立的判斷邏輯，執(zhí)行內容即各控制子站光伏板的角度。用戶可以對每個模式下各子站光伏板的位置進行設定，同一時刻只能有一種控制模式執(zhí)行。主控站軟件默認集成了正常追蹤、逆向跟蹤、夜間模式、大風保護和清洗等模式。用戶可以選擇是否啟用除正常追蹤以外的模式，也可以通過腳本添加或編輯自定義用戶模式。

除此之外，主控站軟件還完成用戶手動操作、子站分別控制和數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計顯示等工作。

2.4 控制子站設計

控制子站的通信、電機控制和數(shù)據(jù)采集處理采用Microchip的PIC18F45單片機實現(xiàn)。光伏板的角度控制采用無刷直流電機，位置傳感器采用霍爾元件，具有結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。當單片機接收到控制子站的光伏板角度控制指令后，計算目標電機位置，并結合當前的電機角度位置控制電機動作?？刂谱诱镜目刂浦С直镜夭僮骱瓦h程操作。

3 應用情況

該系統(tǒng)研發(fā)完成后，為便于調試和進行自動追日系統(tǒng)的對比測試，在公司生產大樓屋頂(地理坐標：106.499 13,29.619 268)建設了兩套試驗測試裝置，分別采用固定安裝和平單軸追日系統(tǒng)，發(fā)電功率均為26.4 kW。

兩套光伏發(fā)電系統(tǒng)進行了長期運行對比測試和統(tǒng)計，并在運行過程中對平單軸追日系統(tǒng)算法進行優(yōu)化。圖4為一天中發(fā)電功率和光伏板傾角位置等實時數(shù)據(jù)趨勢圖。

圖4 實時數(shù)據(jù)趨勢圖Fig.4 Trend chart of real-time data

表1為2017年4月12日～2017年5月14日的發(fā)電量統(tǒng)計表，不含雨天。經過優(yōu)化后，發(fā)電效率較固定安裝平均提升26.30%(去除陰雨天)。

表1 測試裝置發(fā)電量統(tǒng)計表Tab.1 Power generation statistics of test device

控制方案優(yōu)化后，該套追日系統(tǒng)成功在赤峰金色能源100 MWp裝機容量光伏電站項目中的10 MWp電站安裝并應用。該電站采用南北安裝、東西追蹤的方式進行太陽跟蹤，每個控制子站用一個電機控制，轉動軸長90 m，控制精度小于1°。該項目至今運行良好。

經統(tǒng)計，相對于固定安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)，應用該追日系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電量提升25%。同時，氣象檢測和不同運行模式的應用也提升了光伏電站的氣候耐受性，降低了維護成本。

4 結論

本文總結和分析了當前用于光伏發(fā)電的太陽追蹤方法及優(yōu)缺點，設計了一種用于大型光伏電站的平單軸視日運動軌跡追蹤系統(tǒng)。追蹤系統(tǒng)由集中控制主站和若干控制分站構成，集中控制主站集成GPS、氣象檢測傳感器和光照度傳感器等；根據(jù)控制策略確定當前的工作模式，包括正常跟蹤模式、逆向跟蹤陰影躲避模式、積雪模式、大風保護模式、清洗模式等；計算光伏板位置，通過無線通信發(fā)送控制指令至每個控制分站，完成光伏板的角度控制和狀態(tài)監(jiān)測。

根據(jù)控制方案，設計并安裝屋頂測試系統(tǒng)，通過長期對比試驗和性能跟蹤，對控制算法進行優(yōu)化。該追日系統(tǒng)已經應用于實際光伏電站，至今運行狀態(tài)良好。相對于固定安裝系統(tǒng)，其成本增加不到1%，平均發(fā)電效率提高達25%以上，抵抗大風、雨雪等災害天氣的能力也大大增強。