光伏产业化跟踪系统与驱动方案的比较分析

赵建阳，宋 凯，刘 欢，陈志明,付 蕾，卢继霞，贾瑞清

（中国矿业大学（北京） 机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

在空气污染日益严重的今天，对新能源的开发利用日显重要。对太阳能的研究利用成为人们的热点，提高发电效率是核心问题。提高效率有二点，一是太阳能电池板光电转换效率，目前单晶硅电池实验室光电转换效率最高达24.7%，多晶硅电池转换效率也达到20.3%[1]；二是设计光伏跟踪系统，不同的跟踪方式发电效率差异明显。

本文对现有的光伏跟踪方式与驱动控制方法进行研究，从经济性与可行性角度，为光伏产业化过程中跟踪系统的选择提供参考。

1 太阳时角与方位角

1.1 时角坐标系

以天赤道为基本圈，北天极为基本点，天赤道和子午圈在南点附近交点为原点的坐标系称为时角坐标系，如图1 所示。通过北天极和太阳做一个大圈，叫做时圈，时圈交天赤道于T 点，从原点Q 沿天赤道顺时针方向计量，弧QT 为时角t，弧XT 叫做赤纬δ[2]。

图1 时角坐标系Fig.1 The equatorial coordinate system

1.2 太阳角概念

如图2 所示，给出如下定义：定义指向太阳的向量s→与天体Z 之间的夹角为天体角，用θ 表示；定义向量s→与地平面的夹角为太阳高度角，用h 表示；定义向量s→在地面上的投影与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用γ 表示。

图2 太阳角定义Fig.2 The define of sun angle

用ω 表示太阳的时角，定义为：在正午时ω=0，没间隔一小时增加15°，上午为正，下午为负。计算太阳高度角的表达式为：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中：φ—地理纬度；δ—太阳赤纬角；ω—太阳时角。正午时太阳时角ω=0，在南回归线内，可计算出此时太阳高度角h=90°。太阳方位角的计算公式为：

根据地理经纬、太阳赤纬和观察时间，利用此式可计算所在地区的太阳方位角[3,4]。

2 光伏发电跟踪方式

光伏跟踪发电都是相对于光伏固定而言，最佳固定倾角取决于很多因素，如地理位置、全年太阳辐射分布等。设计中都是利用RETScreen 等专业软件，采用试算法计算不同倾角下对应太阳辐射量，选取最大太阳辐射量对应倾角为固定安装倾角，倾角角度与当地纬度很接近。

相对固定倾角发电有三种跟踪方式，单轴转动、双轴转动与极轴转动。

2.1 单轴转动跟踪系统

水平轴跟踪只要调整光伏电板主轴旋转角，准确跟踪太阳的时角，并不跟踪太阳赤纬角，跟踪在纬度有固定差值。

图3 典型光伏单轴转动跟踪系统Fig.3 Typical pv single axis tracking system

图4 典型的光伏双轴跟踪系统Fig.4 The typical pv two-axis tracking system

2.2 双轴转动跟踪系统

通过对太阳光线的实时跟踪，跟踪调节高度角与时角，保证每时每刻太阳光线与太阳面板垂直，获得最大发电量。双轴跟踪系统采用光敏传感器实现精确跟踪，光强检测放大电路将光敏传感器输出的信号进行放大比较，将偏差信号送到单片机进行处理，从而控制执行部件对太阳的高度角和方位角进行跟踪。

2.3 极轴跟踪系统

极轴跟踪是双轴跟踪的一种简化，将光伏板的椭圆跟踪轨迹转化为绕极轴的旋转，只跟踪太阳时角，如图5 所示，将太阳能板的旋转轴（极轴）调整至于地轴平行，安装角为当地纬度角φ，极轴旋转抵消地球的自转。同时为保证太阳能电池板与太阳光垂直，使电池板与极轴夹角为太阳赤纬角δ。这样将二维运动转化为一维，简化了系统的机械结构，降低了系统的运行安装成本。

图5 极轴跟踪示意图Fig.5 Polar axis tracking diagram

2.4 光伏跟踪方式对比

查阅国内相关研究不同跟踪方式资料，给出了不同跟踪方式全年太阳能收益对比，见图6。作者调研宁夏红寺堡光伏发电站，实际使用中单轴、双轴与极轴的发电效率确实有提高，但由于宁夏常年风大，发电效率提高有限。由于常年有风，单轴、双轴与极轴调节方式中驱动电机易损坏，维修费用较高，所以整体经济性与固定式安装相比有所提高，但幅度很小。

图6 不同跟踪方式全年太阳能收益Fig.6 Different ways of tracking solar gains all the year round

3 光伏跟踪驱动方式

图3 与图4 中跟踪执行机构的驱动都采用步进电机，但目前已经有液压驱动方面的研究[5]。

本文对可以用于光伏跟踪系统的驱动方式进行对比，详见表1。

调研现有光伏电站，光伏跟踪系统都是电机驱动。但液压驱动与电机驱动相比，具有系统工作平稳，操纵控制简便，容易实现过载保护等优点，液压系统可以实现光伏跟踪系统的联动。随着水液压传动的研究，液压系统会更多的应用在光伏跟踪领域。

表1光伏跟踪系统不同驱动方案对比Tab.1Compareofdifferentpvtrackingsystem

4 结论

光伏发电跟踪系统能有效提高发电效率，但是在光伏产业化过程中，从经济性与可行性角度来看，大型光伏电站采用极轴与双轴跟踪可以有效提高经济效益，小型光伏电站采用单轴和固定倾角安装经济性较好。在风力较大的地区和自然环境恶劣的地区，极轴与双轴的损坏率较高，维修成本高，同时跟踪精度降低，考虑极轴与双轴安装成本因素，因此在上述地区最好采用固定倾角安装。

在光伏电站选择跟踪系统驱动方式方面，自然条件好（风小、阳光充足）的地区可以采用液压驱动或者电机驱动，电机驱动适用于小规模发电，液压驱动适用于大规模发电。液压传动可以实现联动，这对大规模光伏发电具有优势。液压驱动在光伏跟踪中会有很广阔的应用前景。

[1] 张鹏飞.光伏发电自动跟踪系统设计[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2009，3.

[2] KOUTROULIS E,KALAITZAKIS K.Novel battery charging regulation system for PV applications. Electric Power Applications[J], IEE Proceedings,2004,2.

[3] 徐东亮，任超.太阳能自动跟踪装置控制系统的研究[J].机械工程与自动化，2008，3.

[4] MOHAMAD MAS,BADEJANI SMM,EWALD FF. Microprocessorcontrolled new class of optimal battery chargers for photovoltaic applications[J].IEE Transactionson Energy Conversion,2004,3.

[5] 李仁浩.液压式太阳能光伏发电自动跟踪系统研究与设计[J].高科技产品研发，2013，13.