王新,華永明,李小燕

(東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院,江蘇南京210096)

跟蹤式系統(tǒng)光伏發(fā)電系統(tǒng)能夠精確地跟蹤太陽輻照的角度,與固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比,對太陽光的接收理論上可以提高37.7%,發(fā)電量也因此會得到增加[1]。當(dāng)然,跟蹤式系統(tǒng)的控制方法復(fù)雜,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求高,其可靠性與固定式相比稍差一些,不過隨著跟蹤技術(shù)的不斷完善,目前跟蹤式系統(tǒng)的可靠性已經(jīng)有了很大提高,因此各國競相發(fā)展采用跟蹤裝置的光伏發(fā)電系統(tǒng),據(jù)統(tǒng)計(jì),截止到2008年采用跟蹤裝置的光伏電站已經(jīng)占總量的27%左右[2]。自動跟蹤光伏陣列可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤,其中單軸跟蹤只能圍繞一個旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽運(yùn)行的方位角或者高度角的變化,與雙軸跟蹤相比結(jié)構(gòu)簡單但跟蹤的精度稍差,不過有資料指出,對于平板組件的跟蹤,跟蹤精度(如±10°)在一定的范圍內(nèi)對光伏陣列效率的影響不大,因此設(shè)計(jì)合理的單軸跟蹤要比雙軸跟蹤有更高的性價比[3-4]。本文將設(shè)計(jì)一個極軸跟蹤光伏陣列,陣列采用西門子 S7-200PLC進(jìn)行跟蹤控制,然后通過試驗(yàn)對設(shè)計(jì)的極軸跟蹤光伏陣列和固定安裝的光伏陣列進(jìn)行比較,驗(yàn)證其效果。

1 自動跟蹤裝置的設(shè)計(jì)

極軸跟蹤要求旋轉(zhuǎn)軸與地球的極軸平行,它與水平面的夾角與安裝地的緯度有關(guān),因此跟蹤裝置的設(shè)計(jì)首先要正確計(jì)算旋轉(zhuǎn)軸的角度。PLC是自動跟蹤系統(tǒng)的核心部件——本文的硬件配置和軟件設(shè)計(jì)都將圍繞所選擇的西門子S7-200進(jìn)行。

1.1 機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的極軸跟蹤光伏列陣的機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)軸及支柱部分見圖1。由于安裝地點(diǎn)北緯31°55′,為使旋轉(zhuǎn)軸與地球極軸平行,確定機(jī)械支撐機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)軸與水平面的夾角為31°55′。斜軸由東向西旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽的時角,如果以中午12:00為基準(zhǔn),那么斜軸向東旋轉(zhuǎn)15°為11:00,旋轉(zhuǎn)60°為8:00,斜軸向西旋轉(zhuǎn)60°為16:00。裝置帶有手動裝置用于用于校準(zhǔn),為了方便,在機(jī)械結(jié)構(gòu)垂直于斜軸裝有類似表盤的刻度表。為了防止損壞電機(jī)和機(jī)械部分,在初始位置和終點(diǎn)位置都設(shè)有限位開關(guān)。

圖1 機(jī)械裝置旋轉(zhuǎn)軸及支柱部分

1.2 硬件設(shè)計(jì)

圖2為極軸跟蹤裝置系統(tǒng)組成框圖,系統(tǒng)由帶有實(shí)時時鐘的S7-200PLC(選用CPU222)模塊、繼電器、限位開關(guān)、帶齒輪減速的單相電容式可逆交流電機(jī)和機(jī)械傳動裝置組成。

圖2 極軸跟蹤系統(tǒng)裝置組成框圖

PLC是自動跟蹤系統(tǒng)的核心部件,系統(tǒng)采用西門子公司的S7-200系列PLC,該系列具有緊湊的結(jié)構(gòu)、靈活的配置和強(qiáng)大的指令集,用戶程序包括位邏輯、計(jì)數(shù)器、定時器、復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算以及與其他智能模塊通訊等指令內(nèi)容,從而使S7-200能夠監(jiān)視輸入狀態(tài),改變輸出狀態(tài)以達(dá)到控制的目的。S7-200 CPU 222的特點(diǎn)有:主機(jī)集成8輸入/6輸出共14個數(shù)字量I/O點(diǎn);6kB程序和數(shù)據(jù)存儲空間;可以連接2個擴(kuò)展模塊,可擴(kuò)展最多64個I/O點(diǎn)和8路模擬量;具有4個高速計(jì)數(shù)器;具有高速脈沖輸出接口;具有RS-485通訊結(jié)構(gòu)。由于需要和繼電器配合使用,選擇輸出形式為繼電器輸出的PLC,由于需要用實(shí)時時間,因此,采用實(shí)時時鐘與CPU222配合。

PLC外圍電路圖如圖3所示,選用輸入I0.0作為自動和手動控制的切換開關(guān),I0.1為初始位置限位開關(guān),I0.2為終點(diǎn)位置限位開關(guān),PLC輸出Q0.0接正轉(zhuǎn)繼電器的控制線圈,輸出Q0.1接反轉(zhuǎn)繼電器的控制線圈,為了保證驅(qū)動能力,在1L和兩個輸出間加24V開關(guān)電源。

考慮轉(zhuǎn)矩較大、過載能力強(qiáng)、用于低速傳動單元、簡單可靠等因素,跟蹤驅(qū)動選用齒輪減速單相電容交流可逆電動機(jī),供電電源220 V/50 H z,功率為140W,該型電動機(jī)成本較低,有利用降低能耗,方便正反轉(zhuǎn)控制,接線方便且適合野外運(yùn)行。

圖3 PLC外圍硬件電路

1.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件開發(fā)工具使用STEP 7 M icroW IN SP6編程軟件,是西門子公司專門為SIMA TIC S7-200系列PLC設(shè)計(jì)開發(fā)的,該軟件功能強(qiáng)大,界面友好,并有方便的聯(lián)機(jī)功能。用戶可以利用該軟件開發(fā)PLC應(yīng)用程序,同時也可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)視控制用戶程序的執(zhí)行狀態(tài)。

跟蹤采用每隔一定時間開啟電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)固定時間的方式,早上8:00為初始位置,下午16:00停止轉(zhuǎn)動,運(yùn)轉(zhuǎn)期間旋轉(zhuǎn)軸共轉(zhuǎn)過120°,根據(jù)電動機(jī)和減速器的減速比,電動機(jī)總運(yùn)行時間為24 min,為此本文的方案采用的間隙驅(qū)動方式每隔采用19min讓電動機(jī)轉(zhuǎn)1m in,從起點(diǎn)到終點(diǎn)共轉(zhuǎn)24次?？紤]到夏天日落較晚,因此裝置在轉(zhuǎn)到16:00位置處停止轉(zhuǎn)動后等待2 h,到18:00再讓電機(jī)連續(xù)反轉(zhuǎn)運(yùn)行24 min回到初始位置,待第二天重新開始往復(fù)循環(huán)。相應(yīng)的軟件程序流程圖如圖4所示。

圖4 極軸跟蹤程序運(yùn)行流程圖

2 并網(wǎng)逆變電路

為了讓設(shè)計(jì)的極軸跟蹤光伏發(fā)電陣列能夠上網(wǎng)運(yùn)行,光伏發(fā)電系統(tǒng)采用StecaGrid 2000+Master并網(wǎng)逆變器。該逆變器有兩路獨(dú)立的MPPT,直流電壓輸入范圍大,由于采用高頻變壓器進(jìn)行隔離,因此既安全且重量輕,非常適合進(jìn)行小型并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)。StecaGrid 2000+M aster性能參數(shù)為:最大直流輸入功率2 150W;輸入電壓范圍直流80～400 V;最大輸入電流2×5A(2個獨(dú)立的M PPT)或1×10A (1個MPPT);額定交流輸出功率2 000 W;額定交流輸出電壓230 V/50 H z;最大轉(zhuǎn)換效率95%;功率因數(shù)大于0.95;最大功率時的THD小于5%。

逆變器的并網(wǎng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)可以由液晶顯示屏讀取,也可以通過StecaG rid Connect U ser或Steca-Grid Connect Service進(jìn)行監(jiān)控和采集,逆變器本身帶有通訊適配器StecaG rid Connect,PC和帶有通訊適配器的逆變器之間采用交叉線(Crossover Cab le)連接,這樣它們構(gòu)成一個局域網(wǎng),將PC機(jī)的IP地址與逆變器的IP地址設(shè)為一個網(wǎng)段,例如逆變器的IP為192.168.0.10,子網(wǎng)掩碼為255.255.255. 0,則PC的IP可以設(shè)為192.168.0.1到196.168. 0.254之間除192.168.0.10之外的任意地址。

3 并網(wǎng)試驗(yàn)及其分析

為了驗(yàn)證所研制極軸跟蹤系統(tǒng)裝置的有效性,采用了并網(wǎng)試驗(yàn)的方法對采用極軸跟蹤和固定安裝(傾斜角度為35°)的光伏陣列的發(fā)電數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較。試驗(yàn)選用的光伏組件(SDM 180/MONO)峰值功率P max為180W;開路電壓V oc為43.9 V;短路電流Isc為5.36 A;最大功率點(diǎn)電壓Ump為36.3 V;最大功率點(diǎn)電流I m p為4.96 A;功率波動容許范圍±3%。采用光伏組件組成2個光伏陣列,一個采用極軸跟蹤,一個按本地緯度傾角固定放置,每個陣列用4塊組件串聯(lián)。

發(fā)電實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示,由于離電站較遠(yuǎn),監(jiān)控系統(tǒng)不太完善,導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集不太方便,本實(shí)驗(yàn)僅監(jiān)測采集到10:00到下午15:25之間的發(fā)電數(shù)據(jù)。

由圖5可以看出,從10:00到11:30,兩個光伏陣列的差別指標(biāo)縮小,極軸跟蹤優(yōu)勢越來越小;到中午12:00左右兩組陣列發(fā)電功率大致相當(dāng),以后從12:30到15:30,兩個光伏陣列的差別指標(biāo)不斷擴(kuò)大,極軸跟蹤效果越來越明顯。這個結(jié)果表明,跟蹤的收益主要是在上午和下午,經(jīng)過計(jì)算,采用極軸跟蹤后發(fā)電量大約提高20%,考慮到?jīng)]有采集到早上8:00～10:00和15:30～17:30之間的數(shù)據(jù),這兩個時間段跟蹤效果會更明顯,因此,可以估算得出,采用開發(fā)的極軸跟蹤的光伏電站可以提高大約30%的發(fā)電量。如果采用每10m in電機(jī)動作一次,一次運(yùn)轉(zhuǎn)0.5 min,會進(jìn)一步提高發(fā)電收益。

4 結(jié)論

本文以PLC為控制系統(tǒng)核心設(shè)計(jì)了一個極軸式機(jī)械裝置,并利用Steca并網(wǎng)逆變器和監(jiān)控軟件極軸式光伏陣列并網(wǎng)運(yùn)行試驗(yàn)裝置,對采用跟蹤裝置和固定安裝光伏陣列的發(fā)電數(shù)據(jù)比較,預(yù)計(jì)發(fā)電量可以提高近30%,該極軸跟蹤系統(tǒng)裝置具有簡單、成本低、開放性好(根據(jù)需要可以設(shè)計(jì)閉環(huán)控制策略)等特點(diǎn),有較好的應(yīng)用前景和推廣價值。

[1] 夏小燕.大范圍太陽光線跟蹤傳感器及跟蹤方法的研究[D].南京:河海大學(xué),2006.

[2] STALTER O,BURGER B,BACHA S,et al.Integrated so lar tracker positioning unit in distributed gridfeeding inverters for CPV power p lants[C]//ICIT 2009.IEEE International Conference on,2009.

[3] 鄭小年,黃巧燕.太陽跟蹤方法及應(yīng)用[J].能源技術(shù), 2003,24(4):149-151.

[4] 伍春生,劉四洋,廖華,等.一個多種跟蹤方式的并網(wǎng)光伏電站[J].可再生能源,2008,26(3):63-65.

[5] 楊金煥,于化叢,葛亮編著.太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:20-26.