太阳能电池板自动跟踪系统

刘　剑,　李　彤,　陈兆华

(沈阳建筑大学 信息与控制工程学院, 辽宁 沈阳　110168)



太阳能电池板自动跟踪系统

刘剑,李彤,陈兆华

(沈阳建筑大学 信息与控制工程学院, 辽宁 沈阳110168)

摘要：概述了近些年来太阳能自动跟踪系统的类型、工作方式、控制方式、优势以及存在的问题。指出太阳能自动跟踪系统是光伏系统充分利用太阳能的有效途径,可有效提高太阳能装置的能量转换效率和太阳能的接收效率。

关键词：太阳能自动跟踪系统; 光伏系统; 系统类型; 控制方式

0引言

太阳能作为一种清洁无污染、储能大的可再生能源,备受人们关注。太阳能储量的无限性与其他能源存储量的有限性相比,利用前景更为广阔;太阳能资源分布的无限性,解决了资源短缺地区的难题。太阳能具有低密度、间歇性、空间分布不断变化的特点[1],人们对其收集和利用提出了很高的要求。为解决这一问题,需提高太阳能装置的能量转换效率和接收效率[2]。国内外专家学者对太阳能自动跟踪方式、方法进行了大量研究与应用[1]。为了提高太阳能的利用率,本文专对太阳能自动跟踪系统进行了详细研究。

1太阳能自动跟踪方式

太阳能自动跟踪系统是提高太阳能效率的重要方法。当太阳光垂直照射到太阳能电池板时，太阳能的利用率最高。据试验[2],在相同条件下,太阳能发电中采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,成本下降25%[3-4]。太阳能自动跟踪方式主要有光电跟踪方式、视日运行轨迹跟踪方式、时钟式跟踪、压差式跟踪、控放式跟踪、电子追踪、机械追踪和GPS追踪[5-7]等。不同的跟踪方式各有优缺点。光电跟踪方式和视日运行轨迹跟踪方式是最常见的跟踪方式。

1.1光电跟踪方式

光电跟踪装置通过光敏传感器进行太阳位置变化的检测,从而对太阳及时跟踪。将光敏器件完全对称地安装在靠近遮光板的两侧,只有当太阳光垂直照射在电池板上时,光敏器件才能保持完全处于光照区,使其输出大小相同的两个电信号,再输入到放大比较电路中进行处理(输出信号为0),此时不起动跟踪系统。当太阳稍有偏移(即太阳光不垂直照射在电池板上)时,则会在遮光板下产生阴影,遮光板两侧的光敏器件所接收的太阳光照强度不同,使得放大比较电路输出信号差,当信号差值达到一定阈值时,电机驱动装置将起动跟踪系统,减小偏差,直至信号差值为0时止,即电池板完成对太阳光的精准跟踪。光电式太阳跟踪装置基本原理如图1所示。

图1　光电式太阳跟踪装置基本原理

根据传感器设计的不同,跟踪装置主要分两种:单个感光元件自动跟踪；多个感光元件同时对太阳的高度角和方位角自动跟踪[8]。

(1) 二象限高度角跟踪法。光学传感器主要完成对太阳高度角的跟踪,利用阴影区发生偏移,输出微电信号作为信号偏差,微处理器根据偏差信号驱动机械执行机构调整太阳能电池板角度,从而使其采光板法线平行于太阳光线。太阳方位角的变化较小,对其方位角的跟踪可以编写程序控制或人工定期调整。该系统结构简单,但是对太阳方位角跟踪误差较大。

(2) 四象限光电跟踪法。以采光聚光头为中心,在其上下左右两两对称安装两对光学传感器,4个不同位置的光学传感器接收来自不同方向的太阳光,在透镜焦点光斑偏离中心位置时,微处理器就会根据接收到变化的信号驱动机械执行机构,调整采光聚光头的位置,从而实现对太阳的跟踪。该装置会一直跟随太阳位置变化,虽然精度和太阳利用率有所提高,但跟踪头一直处于跟踪的动态,造成机械磨损严重。

(3) 五象限光电跟踪法。以中心位置光敏传感器为中心,5个光敏传感器按十字排列,并将其放在上方位置开以小口下方敞开的圆柱内,利用单片机根据传感器输出电平的高低来判断太阳的方向。虽然4个光敏传感器与中心位置光敏传感器组成电路比较简单,但是跟踪范围较小,误差相对较大。

光电跟踪方式采用闭环控制,可以通过反馈消除误差,使其太阳能电池板的发电效率最高,并且结构设计简单,在不需要人为干涉的情况下可以完全自动对太阳进行跟踪,但光敏器件容易受环境中散杂光线和天气情况的干扰,并且在多云天气情况下为跟踪云层边缘的亮点,电机不断地往复运动,造成机械执行部件的磨损,在跟踪过程易产生误动作,从而降低了跟踪装置的稳定性。

1.2视日运动轨迹跟踪方式

视日运动轨迹跟踪通过天文学公式计算出太阳高度角和方位角的理论值,按照当地太阳实际运行轨迹编写程序完成,再采用计算机程序控制电机转动,从而调整太阳能电池板的高度角和方位角,实现跟踪装置对太阳的跟踪，这是一种通过开环控制来实现的跟踪。视日运动轨迹系统根据跟踪系统的轴数,可分为单轴跟踪系统和双轴跟踪系统两种。

1.2.1单轴跟踪系统

单轴跟踪根据转轴的方位可以分为水平单轴跟踪、倾斜单轴跟踪、竖直单轴跟踪;按照运动机构动力执行件类型以及传动系统类型，可以分为电动推杆单体结构、电动推杆联动结构、回转减速器单体结构、回转减速器联动结构。水平单轴跟踪适合在纬度低于30 ℃的地区内使用,可以提高20%~30% 的发电量。斜单轴跟踪以及垂直单轴跟踪适合在纬度高于40 ℃的区域使用,可以提高25%~35%的发电量。

单轴跟踪方式的电池板只有在每天正中午时刻正对太阳,才能接收到最大的太阳光照能量。单轴跟踪装置虽然便于做成联动结构,降低了动力结构以及控制系统的成本,但不能保证电池板时刻与太阳光线保持垂直,故太阳能的利用效率不高。单轴太阳跟踪装置原理如图2所示。

图2　单轴太阳跟踪装置原理

1.2.2双轴跟踪系统

双轴跟踪对太阳的高度角和方位角同时进行跟踪,以保证时刻接收太阳光照的最大能量,但是很难做成联动方案,组件数量受到限制,控制系统复杂,设备维护麻烦。该方式适合在纬度高于40 ℃的地区使用,可提高35%~45%的发电量。双轴跟踪以坐标系划分依据,分为极轴式和高度角-方位角式全跟踪。

(1) 极轴式全跟踪。极轴是指平行于地球自转轴指向天球北极的一个轴,而把与极轴相垂直的一个轴称为赤纬轴[8]。跟踪机构工作时绕极轴进行旋转,设定其转速应与地球自转的角速度大小相同而方向相反。此外,赤纬轴需要根据季节的变化进行装置调节,以适应太阳赤纬角的变化。

极轴式跟踪装置虽然相对简单,而赤纬轴的俯仰转动是为了跟踪太阳高度变化,但结构上反射镜的重量不通过极轴线,加大了设计极轴支撑装置的难度,如图3所示。

图3　极轴太阳跟踪装置原理

(2) 高度角-方位角式全跟踪。该太阳跟踪方法基于地平坐标系的二维跟踪,机构的方位轴即垂直于地平面,而与方位轴垂直的轴称为俯仰轴[9]。为了跟踪太阳的方位角变化,跟踪机构绕方位轴转动;为了跟踪太阳的高度角,跟踪机构绕俯仰轴做俯仰运动,保证太阳光线垂直照射在太阳能电池板上。当太阳的位置随着时间发生变化时,二维跟踪系统通过起动方位轴做相应调整来跟踪太阳的方位角,同时起动俯仰轴做相应调节来跟踪太阳的高度角,使得太阳光线垂直照射到太阳能电池板上。该跟踪方式精度高,稳定性较高,方位轴作为支撑轴,简化了系统的结构设计。高度-方位角式太阳跟踪装置原理如图4所示。

视日运动轨迹跟踪方式避免了散杂光线的影响,可靠性比较高,但太阳高度角和方位角的计算会产生误差,机械执行机构在安装、运行时也会产生系统误差,并在每次运行前都需要一次精确定位。该系统采用开环控制,一旦出现误差,不能自动消除。

图4　高度-方位式太阳跟踪装置原理

1.3时钟式跟踪

时钟式跟踪以恒定转速旋转跟踪太阳,该转速是由地球自转速度决定的,大约24 h一周,而太阳运动的时角是自东向西匀速变化的[10],因此可以看成是对太阳时角的跟踪。

该电路设计简单,结构简单,便于制作,并且控制系统简单,但存在跟踪精度不高的缺点,需要人为定期进行校正。

1.4压差式跟踪

压差式跟踪装置的采光板南北放置,其倾角可按季节的不同进行手动调节[10]。

该结构比较简单,制作费用低,灵敏度高,纯机械式,不需要外接电源,但机构刚度低,工作空间受限，一般只用于单轴跟踪,只能每隔一段时间重新对准阳光,跟踪精度特别低,无法自动跟踪太阳。

1.5控放式跟踪

控放式跟踪装置对太阳方位角进行单向跟踪,操作时在太阳能接收面板西侧安放一偏重,作为太阳能向西偏转的动力,并对此动力的释放加以控制,使镜面随太阳的西偏而转动[11]。

该装置能实时跟踪,成本低,无需外接电源,收集到的能源可充分转化利用,但结构较复杂,刚度较低,不适用于野外恶劣的工作环境,特别是大风会对装置造成大的影响。

1.6电子追踪式

电子追踪一般都是科研单位或大型企业为了进行某一项研究而专门设计制造,跟踪精密度高,但容易损坏,装置造价高。

1.7机械追踪

机械追踪内部一般都有发条和加速装置[2]，结构简单,且控制系统也十分简单,但误差随着时间的积累而越来越大,机械类的追踪装置一般比较笨重且体积庞大,在运输、安装和维修时会相当麻烦。

1.8GPS追踪

GPS追踪对太阳能的判断已超出了地球的范围,通过地外检测控制大规模的太阳能电池矩阵来接收偏转方向，跟踪精度高,但装置造价昂贵。

2发展方向及趋势

(1) 综合化。采用光控和时控同步跟踪。在天气状况良好时或根据当地实际情况选择最佳时间段进行光控跟踪;在阴雨天气,以及每天的早晚时间段采用时控跟踪,保证在去除环境光污染的情况下及时跟踪太阳。

(2) 智能化。通过判断天气情况,自动选择跟踪系统,且可以区分太阳光和环境散杂光。系统可以在不同情况下判断光控跟踪方式和视日运行轨迹跟踪方式接收太阳能效率的高低,并在这两种方式中作出选择。

(3) 视觉化。太阳所形成的光斑位置不断变化,通过采用摄像头定时自动对光斑拍照,再对前后两张图片中光斑检测、匹配,利用控制系统及时调整太阳能电池板的方向,实现对太阳高度角和方位角的跟踪。

3结语

太阳能自动跟踪系统使用一定的控制策略进行太阳方位跟踪,使太阳能光伏系统高效率、全天候运行,以提高太阳能的转换效率。目前，自动跟踪系统适用于我国大部分地区,根据太阳能自动跟踪装置的原理、控制方式以及适用区域,可选择最佳跟踪方式。

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Solar Panels Automatic Tracking System

LIUJian,LITong,CHENZhaohua

(Informatiom & Control Engineer Institude of Shenyang Jianzhu University, Shenyang 110168, China)

Abstract：This paper summarized the system types,working modes,control modes,advantages and existing problems of solar energy automatic tracking system in recent years. It is pointed out that the solar energy automatic tracking system is an effective way to make full use of solar energy for solar energy photovoltaic system,which improves the energy conversion efficiency of solar energy equipment and the receiving efficiency of solar energy.

Key words:solar energy automatic tracking system; photovoltaic system; system types; control mode

收稿日期：2015-07-31

中图分类号：TU 201.5

文献标志码：A

文章编号：1674-8417(2016)02-0058-04

李彤(1991—),女,硕士研究生,研究方向为太阳能自动跟踪系统。

陈兆华(1992—),男,硕士研究生,研究方向为机器视觉。