新型太阳能单轴跟踪系统的设计＊

杨康， 张剑钢， 李景天， 刘祖明， 谢明达， 戴娟， 许海园， 马铭

（云南师范大学 太阳能研究所，云南省农村能源工程重点实验室，云南 昆明650092）

为了提高光伏电站的发电效率，越来越多的光伏电站开始考虑安装太阳跟踪系统.跟踪系统主要分为单轴跟踪和双轴跟踪两大类，双轴跟踪系统由于投入成本较高（相对于单轴跟踪）、稳定性差等原因使其适用性降低［1－4］；单轴跟踪是通过改变单一运行轨迹，寻找最佳入射角或最大光照强度方位的跟踪方式.单轴跟踪方式较固定放置方式提升了太阳能利用效率，相对于倾斜面放置方式可提升约23%，相对于水平面放置方式可提升38%左右［5］.一般情况下，选择单轴跟踪更为经济.

常用的太阳能跟踪控制方法主要有以下两种：视日运动轨迹控制方法和传感器检测光强控制方法［6］.视日运动轨迹跟踪方式成本相对低，能够在各种复杂天气情况下运行，基本不受天气变化的影响，但是跟踪过程中不能消除产生的累积误差，导致不能充分接受太阳辐射能.传感器跟踪方式灵敏度高，结构设计较为方便，易于实现，但受天气影响大，如果遭遇长时间乌云遮挡或者阴天，跟踪装置会不动作而无法对准太阳，甚至会出现误动作［7－8］.但传感器跟踪方式多选用光敏电阻作为光强检测器件，比较昂贵，同时随着时间的增长，光敏电阻的性能会大幅降低，尤其在被灰尘覆盖后，检测效果会大大降低，甚至影响到系统的使用［9］.两种跟踪方法都是以提高跟踪精度来增加太阳电池的发电量，需要转动装置频繁执行跟踪动作，以及复杂的控制程序，导致实际运行中故障频频发生.因此，当前多数研究人员考虑将光电跟踪与视日跟踪相结合，扬长补短.采用该思路，本设计选取灵敏度高、稳定性佳、使用寿命长的光伏电池作为光强检测器件，将其以相同朝南倾角安置于跟踪系统附近，提供光强信号，同时对跟踪步长进行优化，选取合适的跟踪步长和跟踪次数.

1 控制策略设计

选取STC12C5X系列增强型8051内核单片机作为系统CPU芯片，该芯片具有1 280byte的片内RAM数据存储器，8～64Kb的片内Flash程序存储器，以及8通道10位高速ADC，速度可达25万次／秒，而且片内有EEPROM功能，方便对重要数据的存储，防止突然掉电时数据的丢失.系统采用三杯式电压输出型风速传感器来检测风速，量程为0～30m／s，风速分辨精度0.2m／s，输出信号0～5V，表1为风速大小与电压值对照表.

通过实时测量风速、开路电压、短路电流（以正朝南23°倾角放置的参考组件），判断天亮、天黑、有无阳光、风速大小，给出不同情况下的执行动作，达到减少跟踪动作、降低跟踪系统的投资成本等目的.系统使用内部时钟信号，但是每天监测到天亮之后重新计时，从而不会产生时间累计误差.

表1 风速大小与输出电压值的对应关系Table 1 Correspondence between the wind speed and the output voltage

在辐照度波动较小时，通过调节电池板面法线与太阳入射光线的夹角，测量不同夹角下，电池板（峰值功率130W，开路电压21.9V，短路电流8.02A，最大功率点电压17.6V，最大功率点电流7.39A）的短路电流大小.经多次测量、对比后发现，夹角在0～5°变化时，短路电流在0.05A范围内波动（3.2～3.3A）.也就是说，在电池板面的法线与太阳光线有5°左右的夹角时，电池板的输出功率大致减少了1%～2%.因此，本设计选取10°左右作为单次跟踪角度.

由于白天时长每日都在轻微变化，冬、夏两季的白天时长相差较为明显，所以，本设计以白天时长为依据，将全年分为春秋季模式、夏季模式、冬季模式三套方案.冬季白天时长短，设置系统跟踪的极限角度小；夏季白天时长长，设置系统跟踪的极限角度大；春秋季系统的跟踪角度选取以上两个极限角度之间的某一值.每日的跟踪次数都为14次，单次跟踪角度分别为9.9°、10.8°、11.7°，使东向跟踪起始角在几种模式下分别为69.3°、75.6°、81.9°.早上、下午的跟踪间隔大，中午跟踪间隔小.以正午为对称中心，早上与下午的跟踪间隔对应相等.从东向跟踪起始角到东西水平位需要转动7次，后一次跟踪间隔相对前一次有不同程度的调整.

开机运行，系统读取白天时长并选择转动模式，然后开始检测参考组件的开路电压、短路电流以及风速大小.1分钟检测1次，以5分钟的检测结果作为判断依据.通过对测量结果的判断，系统将确定出白天、黑夜、有无阳光、是否跟踪、是否执行抗风措施等.当系统检测到天亮时，T1、T3计时开始.T3计时溢出时（注：T1为白天时长，T2为跟踪间隔计时，T3为日出时长，T4为日落时长），若短路电流和风速满足要求，组件会直接转动到东限位，完成对太阳的第一次追踪；若短路电流过小或风速过大，组件会继续保持东西水平位，直到短路电流和风速都满足跟踪要求，且第一个跟踪间隔计时未满，组件会转动到东限位.在全天运行中，系统只要检测到风速大于12m／s，或者在一组检测结果中，风速有3次及以上达到或超过8m／s，且组件不在水平位置，系统会马上对组件进行归位，不再进行跟踪，但T2仍在重复计时、溢出、赋值.

图1 系统程序框图Fig.1 Block diagram of the system

到了下午七点半左右，辐照度迅速降低，参考电池板的开路电压也随之快速下降，当系统检测到开路电压下降到下限以下时，组件回归到东西水平位，T1停止计时.此后，系统会判断T1是否在合理的范围之内，并修正内部的白天时长.如果T1合理，处理器会结合前一天的白天时长通过算法修正、改写内部存储空间的白天时长；如果T1不合理，则放弃当日所测白天时长，次日继续使用内部时长.

2 运行结果分析

辐照度对太阳电池组件的短路电流影响很大，而对开路电压影响很小，组件的发电量主要取决于其接收到的辐照度大小，因此，通过对比短路电流或者辐照度累计值就可以估量系统的发电量.为对比单轴跟踪系统的优越性，对固定式系统与单轴跟踪系统选取相同规格的电池组件（峰值功率130W，开路电压21.9V，短路电流8.02A，最大功率点电压17.6V，最大功率点电流7.39 A），并均以正朝南11°倾角安装.使用数据采集仪测量记录两个系统的开路电压和短路电流，同时，使用自动气象站记录两个系统中电池板面接受到的太阳辐照度累计值，5秒测量1次，然后对1小时内的数据取平均值列于表2.

表2 两种系统的运行数据Table 2 Run data of the two systems

从表2可以看出，早上7点15分到11点15分和下午15点15分到19点15分两个时间段内，固定式系统与单轴跟踪系统的电池板面所接收到的太阳辐照度相差较大，单轴跟踪系统所接收到的辐照度甚至比固定式系统增加了232.57%，电池板的短路电流也因此有明显差异；11点15分到15点15分，由于两个系统角度基本相同，它们的短路电流相差较小.跟踪效果见图2、图3，图中开路电压有非正常波动，这是由于传感器本身原因造成，但通过取平均值，也可以得出开路电压随太阳辐照度变化不明显（跟踪式比固定式略微低一点）.

图2 全天开路电压变化情况Fig.2 Changes of Vocin a day

图3 全天短路电流变化情况 Fig.3 Changes of Iscin a day

上述对比说明，新型单轴跟踪系统能够准确 跟踪太阳，在早上、下午太阳高度角较小时，相对于固定式系统具有明显优势.通过对系统近一个月的运行数据分析可知，新型单轴跟踪系统相对固定式系统的太阳能利用率提高了21%左右，大步长的跟踪是行之有效的.

3 结束语

控制系统不需要累计计时，避免了因时钟芯片引来的时间累计误差问题或使用卫星定时的成本和稳定性的问题.跟踪参数由连续一段时间的实际测量值决定，不会因突发的阴雨天、多云、连续遮阴等因素对跟踪的准确性造成影响.系统选取灵敏度高、稳定性好、使用寿命长的光伏电池作为光强检测器件，将每日所测得的白天时长作为计算跟踪所需要的单次跟踪角度和跟踪间隔的重要参数，计算简单，却又具有较高的跟踪准确性.对每日跟踪次数做了优化，选取恰当的跟踪步长，使得系统的控制得以简单化，故障率自然会大大降低.总的来说，系统的控制电路简单、硬件设备少、投资成本低、运行高效可靠，在跟踪精度要求不高而稳定性要求高的地方值得推广应用.

［1］WENHAM S R，GREEN M A，WATT M E，et al.应用光伏学［M］.狄大卫，高兆利，韩见殊，等译.上海：上海交通大学出版社，2008.

［2］沈辉，曾祖勤.太阳能光伏发电技术［M］.北京：化学工业出版社，2005.

［3］王长贵，王斯成.太阳能光伏发电实用技术［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［4］王岱，杨世洪.采用四象限探测器的双轴跟踪控制技术［J］.光电工程，2003（5）：31－33，47.

［5］DAVID APPLEYARD.Solar trackers：Facing the sun ［EB／OL］.http：／／www.renewable energy world.com／rea／admin／login？furl＝／rea／news／article／2009／06／solar track－ers facing the sun.

［6］樊国梁，张晓燕.定时跟踪太阳时角提高光伏发电效率［J］.内蒙古大学学报：自然科学版，2010（1）：116－119.

［7］关继文，孔令成，张志华.高精度太阳能跟踪控制器设计与实现［J］.自动化与仪器仪表，2010 （3）：23－25.

［8］赵李霞，舒志兵.基于松下PLC的太阳能跟踪系统设计［J］.机床与液压，2010，38（14）：100－102.

［9］张永兴.单轴太阳能跟踪系统设计［J］.光电技术应用，2010，25（4）：58－61.