郭志冬，潘曉貝

(1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河南三門峽 472000;

2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南三門峽 472000）

太陽跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的研究*

郭志冬1，潘曉貝2

(1.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，河南三門峽 472000;

2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系，河南三門峽 472000）

為了提高對太陽能的利用率，最大限度地獲得輸出功率，目前普遍采用太陽跟蹤式的光伏發(fā)電方式.介紹了常見的太陽跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理、結(jié)構(gòu)及其實現(xiàn).

太陽;跟蹤;光伏發(fā)電

能源是制約經(jīng)濟發(fā)展的最主要的因素，最近全球爆發(fā)的能源危機迫使全世界各國都在積極地開發(fā)新能源，在此大的背景形勢下，多種新能源如太陽能、風(fēng)能和生物能等得到快速發(fā)展.其中太陽能以其獨到的優(yōu)勢更是全世界研究的熱點.但是，光伏電池轉(zhuǎn)換效率低，投入成本大限制了光伏發(fā)電的快速發(fā)展.目前，普遍采用的太陽跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)可以提高發(fā)電效率，減少成本，因此，得到了廣泛的研究.

1 光伏發(fā)電的基本原理

光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件.它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池兩大類.其中硅光伏電池包括單晶硅、多晶硅、非晶硅電池;化合物半導(dǎo)體光伏電池包括砷化鎵光伏電池等.在實際應(yīng)用中，應(yīng)用最多的主要是單晶硅和多晶硅光伏電池.

當適當波長的太陽光照到光伏電池上時，光伏電池吸收光能后在其兩端產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng).如果在產(chǎn)生的電動勢兩端并接上負載，則負載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率輸出.這樣，太陽的光能就直接變成了可以付諸實用的電能.光伏電池等效電路如圖1所示.

在實際應(yīng)用中，光伏電池單元輸出功率較小，一般不單獨作為電源使用.把每個單元進行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列(簡稱光伏陣列)，輸出功率可達幾百瓦、幾千瓦或者是更大的功率.與傳統(tǒng)的火電發(fā)電方式相比較，它無旋轉(zhuǎn)部分、無氣體排出、無噪音，因此，是無污染清潔的發(fā)電系統(tǒng).

圖1 光伏電池等效電路圖

2 跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)

2.1 跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)的基本原理

跟蹤式光伏發(fā)電即光伏陣列能夠自動跟蹤太陽的位置，使光伏陣列始終保持與太陽光線垂直，從而獲得最大的輸出功率.在晴天時，通過太陽光跟蹤傳感器判斷太陽光與光伏電池陣列平面是否垂直，如果垂直，則不驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動;如果不垂直則發(fā)出控制信號，驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，再通過傳動機構(gòu)帶動電池板轉(zhuǎn)動，使太陽光與電池板垂直，這樣周而復(fù)始的工作，實現(xiàn)實時跟蹤，從而獲得最大的能量.在陰天或多云，光線不正常時，系統(tǒng)通過當前時間、當?shù)亟?jīng)緯度計算太陽的方位角和高度角，并通過位置傳感器判定電池板陣列的當前位置，控制單元發(fā)出控制信號驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，再通過傳動機構(gòu)帶動電池板轉(zhuǎn)動，使電池板跟隨太陽的運行軌跡轉(zhuǎn)動，達到跟蹤太陽的目的.

2.2 太陽高度角和方位角的計算

根據(jù)天文學(xué)太陽運行的規(guī)律，任意時刻太陽高度角和方位角都可以通過天文公式計算得到.太陽高度角指從太陽中心直射到當?shù)氐墓饩€與當?shù)厮矫娴膴A角(或觀測點到太陽的連線與地面之間的夾角)，其值在0°～90°之間變化，日出日落時為零，太陽在正天頂上為90°.

太陽高度角可由下列公式得到:

式中，α為太陽高度角，δ為當?shù)氐牡乩砭暥龋諡樘柍嗑暯?，ω為太陽時角.

太陽赤緯角φ是太陽光線與地球赤道的夾角，以北為正.一年內(nèi)，太陽赤緯角在±23°27'之間變動.要確定某一天的太陽赤緯角，可以利用下面的公式來進行近似的計算:

式中:d為從1月1日起，到該天的天數(shù)，例如2月22日，d=31+22=53.

太陽時角ω:當?shù)靥枙r.地球一天24 h自轉(zhuǎn)360°，每個小時的自轉(zhuǎn)角為15°.當?shù)卣鐣r的時角為0°，上午為負，下午為正.例如，上午10 時，ω = －30°，下午3 時，ω =30°.

太陽方位角A指太陽光線在地平面上的投影與當?shù)刈游缇€的夾角，可近似地看作是豎立在地面上的直線在陽光下的陰影與正南方的夾角.方位角以正南方向為零，由南向東向北為負，由南向西向北為正，如太陽在正東方，方位角為－90°，在正東北方時，方位為－135°，在正西方時方位角為 90°，在正北方時為±180°.A可由下列公式得出:

式中，δ為當?shù)氐牡乩砭暥龋諡樘柍嗑暯?，ω為太陽時角［1，2］.

2.3 太陽光跟蹤傳感器

太陽光跟蹤傳感器的作用是檢測光伏陣列是否對準太陽.當太陽光垂直照射到跟蹤傳感器上時，跟蹤傳感器四個方位的輸出信號全部為零，表示跟蹤傳感器已對準太陽.當太陽光偏離垂直照射跟蹤傳感器時，跟蹤傳感器能檢測出當前太陽偏離跟蹤傳感器的方位，同時在跟蹤傳感器相應(yīng)方位的輸出端輸出一定的電信號.

太陽光跟蹤傳感器的光電檢測模塊主要由一個四象限光敏二極管探測器組成.四象限光敏二極管2CU301是在同一芯片上制作的4個二極管單片(它們之間有十字溝槽間隔).單元的性能參數(shù)基本相同，一致性要求較高.4個二極管單元相當于直角坐標系中的4個象限，每個象限的二極管有自己的輸出.當照射在4個象限光敏二極管上的光斑圖像位于十字形劃線的中心時，代表4個象限的光敏二極管各自的輸出相等，經(jīng)過運放對信號放大處理后，輸出信號為零，如圖2所示.當光斑相對于十字形劃分線的任何位移時，都會使4個象限的光敏二極管的輸出隨之而發(fā)生變化，運算放大器的輸出也隨之產(chǎn)生相對位移方向上的正負變化，從而可以確定物體在二維方向上的位移［3］.

圖2 光電檢測模塊

2.4 執(zhí)行機構(gòu)

執(zhí)行機構(gòu)主要是驅(qū)動模塊、步進電機、機械傳動機構(gòu)以及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu).驅(qū)動模塊接受微控制器的輸出脈沖后，經(jīng)光電隔離后進行放大循環(huán)輸出.步進電機能夠直接進行數(shù)字控制，將脈沖序列轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移，即接收一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)過一個角度.機械傳動機構(gòu)的方位軸垂直地平面，另一根軸與方位軸垂直稱為俯仰軸.工作時，太陽跟蹤裝置根據(jù)太陽運動的位置繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變接收平臺的傾斜角，從而使太陽光線與接收平臺垂直，始終聚集在焦點上.支撐結(jié)構(gòu)將步進電機輸出的功率降速增距后，分別轉(zhuǎn)化為水平方向的低速旋轉(zhuǎn)運動和垂直方向的俯仰運動以跟隨太陽，使之與光伏陣列保持垂直.［3，4］

2.5 邏輯控制單元

太陽跟蹤方式常用的邏輯控制元件主要有單片機、數(shù)字信號處理器(DSP)、可編程序邏輯控制器(PLC)及PC機.基于PC機的太陽位置式跟蹤方法，其成本相對于其他幾種實現(xiàn)方式較為昂貴，但是由于PC機具有強大的數(shù)據(jù)存儲及計算能力，可以用來完成較為復(fù)雜的運算，所以在對計算精度要求較高的場合，一般采用它來進行控制.另外在大規(guī)模的太陽光伏電站中，也可以使用PC機對太陽光伏陣列實現(xiàn)集中控制，可以收到控制精度高、平均成本低的效果.對于單臺或少數(shù)的太陽跟蹤系統(tǒng)，前幾種控制器使用較多，相對而言，單片機系統(tǒng)具有較高的性價比，因此，目前使用最為普遍［5］.

3 結(jié)束語

光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率一直是制約光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要因素之一，增大太陽輻射的利用率是提高光伏系統(tǒng)發(fā)電效率三種途徑之一.跟蹤系統(tǒng)能夠控制光伏陣列始終與太陽光保持垂直的角度，從而提高光伏陣列的光電轉(zhuǎn)化效率.雖然跟蹤系統(tǒng)的實現(xiàn)多種多樣，但是基本的思路和框架結(jié)構(gòu)是基本一致的.

［1］關(guān)繼文，孔令成，張志華.高精度太陽能跟蹤控制器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表，2010，(3):23－25.

［2］王淼，王保利，焦翠坪，等.太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計［J］.電氣技術(shù)，2009，(8):100 －103.

［3］趙建釗，史耀耀，馬健，等.智能型太陽能跟蹤系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2008，32(24):93－97.

［4］向平，程建民，畢玉慶.碟式太陽能跟蹤裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和動力分析［J］.機械設(shè)計與制造，2009，(6):17－19.

［5］李建林.一種新型的太陽光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)設(shè)計［J］.電氣應(yīng)用，2009，68(10):68 －71.

The Research of Sun Tracking Photovoltaic Power Generation System

GUO Zhi－dong1，PAN Xiao－bei2

(1.Dept.of Mechanical＆ Electronic Engineering，Sanmenxia Vocational＆ Technical College，Sanmenxia Henan 472000，China;
2.Dept.of Electric Engineering，Sanmenxia Vocational＆ Technical College，Sanmenxia Henan 472000，China)

In order to improve the utilization of solar energy，and to obtain the maximum output power，sun －tracking photovoltaic power generation is used widely now.This paper describes the basic principles of common sun tracking photovoltaic power generation systems，system architecture and its implementation.

sun;tracking;photovoltaic power generation

TK 513.4

A

1673－2103(2011)05－0043－03

2011－07－13

郭志冬(1981－)，男，河南焦作人，助教，在讀碩士研究生，研究方向:電氣控制工程.