趙建陽(yáng)，宋 凱，劉 歡，陳志明,付 蕾，盧繼霞，賈瑞清

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京） 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

在空氣污染日益嚴(yán)重的今天，對(duì)新能源的開(kāi)發(fā)利用日顯重要。對(duì)太陽(yáng)能的研究利用成為人們的熱點(diǎn)，提高發(fā)電效率是核心問(wèn)題。提高效率有二點(diǎn)，一是太陽(yáng)能電池板光電轉(zhuǎn)換效率，目前單晶硅電池實(shí)驗(yàn)室光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)24.7%，多晶硅電池轉(zhuǎn)換效率也達(dá)到20.3%[1]；二是設(shè)計(jì)光伏跟蹤系統(tǒng)，不同的跟蹤方式發(fā)電效率差異明顯。

本文對(duì)現(xiàn)有的光伏跟蹤方式與驅(qū)動(dòng)控制方法進(jìn)行研究，從經(jīng)濟(jì)性與可行性角度，為光伏產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中跟蹤系統(tǒng)的選擇提供參考。

1 太陽(yáng)時(shí)角與方位角

1.1 時(shí)角坐標(biāo)系

以天赤道為基本圈，北天極為基本點(diǎn)，天赤道和子午圈在南點(diǎn)附近交點(diǎn)為原點(diǎn)的坐標(biāo)系稱為時(shí)角坐標(biāo)系，如圖1 所示。通過(guò)北天極和太陽(yáng)做一個(gè)大圈，叫做時(shí)圈，時(shí)圈交天赤道于T 點(diǎn)，從原點(diǎn)Q 沿天赤道順時(shí)針?lè)较蛴?jì)量，弧QT 為時(shí)角t，弧XT 叫做赤緯δ[2]。

圖1 時(shí)角坐標(biāo)系Fig.1 The equatorial coordinate system

1.2 太陽(yáng)角概念

如圖2 所示，給出如下定義：定義指向太陽(yáng)的向量s→與天體Z 之間的夾角為天體角，用θ 表示；定義向量s→與地平面的夾角為太陽(yáng)高度角，用h 表示；定義向量s→在地面上的投影與南北方向線之間的夾角為太陽(yáng)方位角，用γ 表示。

圖2 太陽(yáng)角定義Fig.2 The define of sun angle

用ω 表示太陽(yáng)的時(shí)角，定義為：在正午時(shí)ω=0，沒(méi)間隔一小時(shí)增加15°，上午為正，下午為負(fù)。計(jì)算太陽(yáng)高度角的表達(dá)式為：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中：φ—地理緯度；δ—太陽(yáng)赤緯角；ω—太陽(yáng)時(shí)角。正午時(shí)太陽(yáng)時(shí)角ω=0，在南回歸線內(nèi)，可計(jì)算出此時(shí)太陽(yáng)高度角h=90°。太陽(yáng)方位角的計(jì)算公式為：

根據(jù)地理經(jīng)緯、太陽(yáng)赤緯和觀察時(shí)間，利用此式可計(jì)算所在地區(qū)的太陽(yáng)方位角[3,4]。

2 光伏發(fā)電跟蹤方式

光伏跟蹤發(fā)電都是相對(duì)于光伏固定而言，最佳固定傾角取決于很多因素，如地理位置、全年太陽(yáng)輻射分布等。設(shè)計(jì)中都是利用RETScreen 等專業(yè)軟件，采用試算法計(jì)算不同傾角下對(duì)應(yīng)太陽(yáng)輻射量，選取最大太陽(yáng)輻射量對(duì)應(yīng)傾角為固定安裝傾角，傾角角度與當(dāng)?shù)鼐暥群芙咏?/p>

相對(duì)固定傾角發(fā)電有三種跟蹤方式，單軸轉(zhuǎn)動(dòng)、雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)與極軸轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.1 單軸轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

水平軸跟蹤只要調(diào)整光伏電板主軸旋轉(zhuǎn)角，準(zhǔn)確跟蹤太陽(yáng)的時(shí)角，并不跟蹤太陽(yáng)赤緯角，跟蹤在緯度有固定差值。

圖3 典型光伏單軸轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)Fig.3 Typical pv single axis tracking system

圖4 典型的光伏雙軸跟蹤系統(tǒng)Fig.4 The typical pv two-axis tracking system

2.2 雙軸轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤系統(tǒng)

通過(guò)對(duì)太陽(yáng)光線的實(shí)時(shí)跟蹤，跟蹤調(diào)節(jié)高度角與時(shí)角，保證每時(shí)每刻太陽(yáng)光線與太陽(yáng)面板垂直，獲得最大發(fā)電量。雙軸跟蹤系統(tǒng)采用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，光強(qiáng)檢測(cè)放大電路將光敏傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大比較，將偏差信號(hào)送到單片機(jī)進(jìn)行處理，從而控制執(zhí)行部件對(duì)太陽(yáng)的高度角和方位角進(jìn)行跟蹤。

2.3 極軸跟蹤系統(tǒng)

極軸跟蹤是雙軸跟蹤的一種簡(jiǎn)化，將光伏板的橢圓跟蹤軌跡轉(zhuǎn)化為繞極軸的旋轉(zhuǎn)，只跟蹤太陽(yáng)時(shí)角，如圖5 所示，將太陽(yáng)能板的旋轉(zhuǎn)軸（極軸）調(diào)整至于地軸平行，安裝角為當(dāng)?shù)鼐暥冉铅?，極軸旋轉(zhuǎn)抵消地球的自轉(zhuǎn)。同時(shí)為保證太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽(yáng)赤緯角δ。這樣將二維運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為一維，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)的運(yùn)行安裝成本。

圖5 極軸跟蹤示意圖Fig.5 Polar axis tracking diagram

2.4 光伏跟蹤方式對(duì)比

查閱國(guó)內(nèi)相關(guān)研究不同跟蹤方式資料，給出了不同跟蹤方式全年太陽(yáng)能收益對(duì)比，見(jiàn)圖6。作者調(diào)研寧夏紅寺堡光伏發(fā)電站，實(shí)際使用中單軸、雙軸與極軸的發(fā)電效率確實(shí)有提高，但由于寧夏常年風(fēng)大，發(fā)電效率提高有限。由于常年有風(fēng)，單軸、雙軸與極軸調(diào)節(jié)方式中驅(qū)動(dòng)電機(jī)易損壞，維修費(fèi)用較高，所以整體經(jīng)濟(jì)性與固定式安裝相比有所提高，但幅度很小。

圖6 不同跟蹤方式全年太陽(yáng)能收益Fig.6 Different ways of tracking solar gains all the year round

3 光伏跟蹤驅(qū)動(dòng)方式

圖3 與圖4 中跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)都采用步進(jìn)電機(jī)，但目前已經(jīng)有液壓驅(qū)動(dòng)方面的研究[5]。

本文對(duì)可以用于光伏跟蹤系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行對(duì)比，詳見(jiàn)表1。

調(diào)研現(xiàn)有光伏電站，光伏跟蹤系統(tǒng)都是電機(jī)驅(qū)動(dòng)。但液壓驅(qū)動(dòng)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)相比，具有系統(tǒng)工作平穩(wěn)，操縱控制簡(jiǎn)便，容易實(shí)現(xiàn)過(guò)載保護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，液壓系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)光伏跟蹤系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)。隨著水液壓傳動(dòng)的研究，液壓系統(tǒng)會(huì)更多的應(yīng)用在光伏跟蹤領(lǐng)域。

表1光伏跟蹤系統(tǒng)不同驅(qū)動(dòng)方案對(duì)比Tab.1Compareofdifferentpvtrackingsystem

4 結(jié)論

光伏發(fā)電跟蹤系統(tǒng)能有效提高發(fā)電效率，但是在光伏產(chǎn)業(yè)化過(guò)程中，從經(jīng)濟(jì)性與可行性角度來(lái)看，大型光伏電站采用極軸與雙軸跟蹤可以有效提高經(jīng)濟(jì)效益，小型光伏電站采用單軸和固定傾角安裝經(jīng)濟(jì)性較好。在風(fēng)力較大的地區(qū)和自然環(huán)境惡劣的地區(qū)，極軸與雙軸的損壞率較高，維修成本高，同時(shí)跟蹤精度降低，考慮極軸與雙軸安裝成本因素，因此在上述地區(qū)最好采用固定傾角安裝。

在光伏電站選擇跟蹤系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)方式方面，自然條件好（風(fēng)小、陽(yáng)光充足）的地區(qū)可以采用液壓驅(qū)動(dòng)或者電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)適用于小規(guī)模發(fā)電，液壓驅(qū)動(dòng)適用于大規(guī)模發(fā)電。液壓傳動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)，這對(duì)大規(guī)模光伏發(fā)電具有優(yōu)勢(shì)。液壓驅(qū)動(dòng)在光伏跟蹤中會(huì)有很廣闊的應(yīng)用前景。

[1] 張鵬飛.光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2009，3.

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

[3] 徐東亮，任超.太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤裝置控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)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.液壓式太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2013，13.