長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 ■ 王驍 曹秒安志勇 曹維國(guó)

一種新型太陽(yáng)追蹤策略的研究

長(zhǎng)春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院 ■ 王驍 曹秒*安志勇 曹維國(guó)

通過(guò)分析太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，提出一種新型的追蹤策略，先調(diào)整俯仰方向的步進(jìn)電機(jī)，在俯仰周期內(nèi)只需在東西方向進(jìn)行調(diào)整，由于俯仰周期遠(yuǎn)大于東西周期，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)一定意義上的單軸追蹤，再結(jié)合離散式運(yùn)行方式能夠顯著降低系統(tǒng)的運(yùn)行功耗。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用新型追蹤策略的太陽(yáng)追蹤系統(tǒng)輸出功率與固定安裝策略相比提高21%以上，與傳統(tǒng)型高度角－方位角追蹤策略相比提高7%左右，具有較廣泛的應(yīng)用前景。

太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律；追蹤策略；單軸追蹤；離散式運(yùn)行；輸出功率

0　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，煤炭、石油等傳統(tǒng)礦物資源日益短缺，大氣污染、溫室效應(yīng)等環(huán)境問(wèn)題日益嚴(yán)峻，因此，開(kāi)發(fā)新型的可再生資源已成為近年來(lái)能源領(lǐng)域的研究重點(diǎn)［1］。太陽(yáng)能作為一種可再生、覆蓋面廣、蘊(yùn)含量高的綠色清潔能源，已經(jīng)普遍應(yīng)用于我們的日常生活中，但太陽(yáng)能也存在著密度低、間歇性、分布不均衡的特點(diǎn)，這就對(duì)高效收集太陽(yáng)能并盡可能轉(zhuǎn)換為其他形式的能源提出了更高的要求［2,3］。

光伏發(fā)電是太陽(yáng)能應(yīng)用的重要途徑，其核心是將光能轉(zhuǎn)換為電能，能夠有效緩解能源危機(jī)和減少環(huán)境污染，具有廣闊的應(yīng)用前景。目前大多數(shù)光伏發(fā)電系統(tǒng)采用支架固定安裝的方式，太陽(yáng)電池板只能面朝一個(gè)方向，無(wú)法充分利用太陽(yáng)能，發(fā)電效率較低。對(duì)此，很多研究提出采用雙軸跟蹤方式［4,5］，對(duì)太陽(yáng)電池板的高度角和方位角進(jìn)行調(diào)整，使太陽(yáng)光線盡可能垂直照射到太陽(yáng)電池板上。這些設(shè)計(jì)雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)太陽(yáng)軌跡的精確追蹤，但是在運(yùn)行過(guò)程中需要在高度角和方位角兩個(gè)方向上不斷調(diào)整太陽(yáng)電池板的位置，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行耗能較高，實(shí)際輸出功率低于預(yù)期效果，不便于市場(chǎng)推廣使用。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律進(jìn)行分析，提出一種新型的追蹤策略，實(shí)現(xiàn)一定意義上的單軸追蹤，又結(jié)合離散式運(yùn)行來(lái)降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，具有一定應(yīng)用價(jià)值。

1　工作原理

本系統(tǒng)主要由3個(gè)部分組成，包括處理器控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和輸出采樣模塊，其總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)總體框圖

系統(tǒng)在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)工作，開(kāi)始時(shí)刻供電完成初始化，截止時(shí)刻停止運(yùn)行并歸位。在運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的追蹤策略運(yùn)行，先調(diào)整俯仰方向的步進(jìn)電機(jī)，再調(diào)整東西方向的步進(jìn)電機(jī)；期間采用離散式運(yùn)行方式［6］，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊只在相應(yīng)的周期信號(hào)到來(lái)時(shí)才供電運(yùn)行，完成必要工作后進(jìn)入斷電待機(jī)狀態(tài)。運(yùn)行過(guò)程中，系統(tǒng)先開(kāi)啟檢測(cè)模式，由太陽(yáng)電池板中心的硅光電池對(duì)周?chē)鈴?qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，只有高于設(shè)定的光強(qiáng)閾值才能進(jìn)入追蹤模式，否則等待下一周期再重新檢測(cè)。

輸出采樣模塊對(duì)太陽(yáng)電池板的電流與電壓進(jìn)行采樣，并將采樣信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至MCU。為進(jìn)一步提高太陽(yáng)電池板的輸出功率，采用MPPT策略中的改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法［7,8］使其工作在最大功率點(diǎn)附近，有效避免傳統(tǒng)直接充電方式對(duì)輸出電壓的限制，以及環(huán)境光強(qiáng)變化引起的誤操作問(wèn)題。

2　太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律分析

一天之內(nèi)，太陽(yáng)從東邊升起，西邊落下，因而在東西方向上使用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)電池板轉(zhuǎn)動(dòng)，保證系統(tǒng)在東西方向上對(duì)太陽(yáng)的大致追蹤。由于赤道面和黃道面之間存在夾角，太陽(yáng)光線一般不會(huì)垂直照射到太陽(yáng)電池板上，因而需要額外增加一個(gè)步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)俯仰方向的調(diào)整，使太陽(yáng)光能夠沿著太陽(yáng)電池板的法線垂直照射到太陽(yáng)電池板上。步進(jìn)電機(jī)是根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)送過(guò)來(lái)的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)動(dòng)相對(duì)固定的角度，因而需要根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律來(lái)確定要發(fā)送的脈沖數(shù)。

圖2　太陽(yáng)位置示意圖

如圖2所示，在地平坐標(biāo)系xyz中用太陽(yáng)方位角Az、高度角Ah來(lái)表示天球上太陽(yáng)的位置［9］。其中，太陽(yáng)方位角Az是指太陽(yáng)光線在地平面上的投影與正北方的夾角；高度角Ah是指從太陽(yáng)中心照射到觀測(cè)點(diǎn)的光線與地平面之間的夾角。設(shè)天球半徑為R，則太陽(yáng)在地平坐標(biāo)系中的位置可用式(1)表示為：

以太陽(yáng)電池板平面為基準(zhǔn)建立局部直角坐標(biāo)系x′y′z′，它可以視為是由原有的xyz坐標(biāo)系繞x軸旋轉(zhuǎn)一定角度得到的，其示意圖如圖3所示，其中γ為在某個(gè)俯仰周期內(nèi)太陽(yáng)電池板平面與水平地面的夾角。

圖3　在某個(gè)俯仰周期內(nèi)的局部直角坐標(biāo)系x′y′z′

由三維空間的旋轉(zhuǎn)公式得到太陽(yáng)在局部直角坐標(biāo)系x′y′z′的位置為：

當(dāng)太陽(yáng)從東向西運(yùn)行時(shí)，東西方位的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)波導(dǎo)聚光模塊繞y'軸旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)過(guò)的角度α可表示為：

以旋轉(zhuǎn)后的太陽(yáng)電池板平面為基準(zhǔn)建立局部直角坐標(biāo)系x′y′z′，同樣由三維空間的旋轉(zhuǎn)公式可得太陽(yáng)位置表達(dá)式為：

下一個(gè)俯仰周期信號(hào)到來(lái)后，此時(shí)太陽(yáng)光線不再垂直入射到太陽(yáng)電池板平面上。設(shè)此時(shí)入射光線與太陽(yáng)電池板平面法線夾角為Δγ，即在俯仰方向上應(yīng)調(diào)整的角度，可由式(4)表示為：

一般在相同時(shí)間間隔里，太陽(yáng)在東西方位的偏移角度遠(yuǎn)大于在南北方位的偏移角度，因而東西周期相對(duì)俯仰周期來(lái)說(shuō)比較短；開(kāi)啟追蹤模式后，先在俯仰方向進(jìn)行調(diào)整，然后再調(diào)整東西方位，在俯仰周期內(nèi)只需調(diào)整東西方位的步進(jìn)電機(jī)。

這樣可以實(shí)現(xiàn)一定意義上的單軸追蹤，進(jìn)一步降低系統(tǒng)的功耗。以2015年廣州市太陽(yáng)方位角Az、高度角Ah數(shù)據(jù)為例進(jìn)行計(jì)算，在俯仰方向上固定太陽(yáng)電池板朝南25°(即γ=25°)放置，通過(guò)式(1)～式(5)可計(jì)算出一年之內(nèi)Δγ的變化曲線如圖4所示。

圖4　一年之內(nèi)Δγ的變化曲線圖

由圖4可知，一年之內(nèi)Δγ從冬至的23.5°逐漸降到夏至的-23.5°，然后再逐漸增加到下一個(gè)冬至的23.5°，由此可計(jì)算得到一天內(nèi)Δγ的變化幅度約為0.26°。若系統(tǒng)在俯仰方向的允許誤差大小為±0.5°，那么可以每隔4天對(duì)俯仰方向進(jìn)行一次調(diào)整；若俯仰方向允許誤差大小為±0.25°，則需要每隔2天對(duì)俯仰方向進(jìn)行一次調(diào)整。

3　輸出采樣模塊

在盡可能收集太陽(yáng)光使其聚集到太陽(yáng)電池板后，還要保證太陽(yáng)電池在一定條件下盡可能輸出更多的電能。傳統(tǒng)方法是將太陽(yáng)電池與蓄電池直接相連，這樣會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)電池的輸出電壓被拉低至蓄電池的工作電壓附近，輸出功率受到嚴(yán)重限制。MPPT策略通過(guò)跟蹤太陽(yáng)電池的輸出功率，進(jìn)而調(diào)整系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作狀態(tài)，使太陽(yáng)電池工作在最大功率點(diǎn)附近。

常用的MPPT策略有擾動(dòng)觀察法、恒壓跟蹤法、電導(dǎo)增量法等。從太陽(yáng)電池的輸出特性可知，最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的輸出電壓隨光照強(qiáng)度、溫度變化，因而恒壓法跟蹤法不能真正實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤；電導(dǎo)增量法能夠較好地實(shí)現(xiàn)最大功率跟蹤，但對(duì)硬件要求較高。這里采用擾動(dòng)觀察法，其跟蹤原理如圖5所示。

圖5　擾動(dòng)觀察法原理圖

從圖5可以看出，在輸出功率曲線的上升階段，光強(qiáng)由L1減小為L(zhǎng)2時(shí)，輸出功率由P1減小至P2，ΔP= P2–P1＜0。根據(jù)傳統(tǒng)型擾動(dòng)觀察法可知，系統(tǒng)下一步動(dòng)作應(yīng)該是減小當(dāng)前電壓U，而實(shí)際上應(yīng)繼續(xù)增加U才能移向最大功率點(diǎn)；在輸出功率曲線的下降階段同樣也存在這個(gè)問(wèn)題。

本系統(tǒng)采用改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法，開(kāi)始時(shí)先加一個(gè)擾動(dòng)電壓信號(hào)ΔU到太陽(yáng)電池的輸出電壓U上，然后對(duì)輸出電壓U和電流I進(jìn)行連續(xù)采樣，并由此計(jì)算得到新的輸出功率P；與此同時(shí)，通過(guò)光電檢測(cè)模塊對(duì)當(dāng)前環(huán)境光強(qiáng)L進(jìn)行檢測(cè)和記錄，計(jì)算相鄰兩次采樣的功率差值ΔP和光強(qiáng)差值ΔL。當(dāng)ΔP＜0時(shí)，如果ΔL＜0，說(shuō)明是由于光強(qiáng)引起的變化，系統(tǒng)保持原來(lái)的電壓；如果ΔL＞0，則需改變擾動(dòng)方向。同理，當(dāng)ΔP＞0時(shí)，如果ΔL＞0，則保持原電壓，否則就繼續(xù)該擾動(dòng)。改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法在原有的擾動(dòng)觀察法基礎(chǔ)上加入了環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)，避免了系統(tǒng)因光強(qiáng)變化對(duì)擾動(dòng)方向的誤判。

此外，由于太陽(yáng)電池的輸出功率受環(huán)境影響較大，且不能存儲(chǔ)能量，一般需要配備蓄電池來(lái)儲(chǔ)存和調(diào)節(jié)電能。可通過(guò)直流-直流(DC/DC)變換電路連接太陽(yáng)電池與蓄電池，采用基于放電脈沖的三階段充電方式［10］，在充電時(shí)通過(guò)放電脈沖增大蓄電池的可接受充電電流，這樣可以使蓄電池盡可能快速吸收光伏電池轉(zhuǎn)換的電能，并在一定程度上延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。

MPPT策略與三階段充電方式相結(jié)合的復(fù)合控制策略能夠充分協(xié)調(diào)太陽(yáng)電池與蓄電池之間的工作狀態(tài)，使收集到的太陽(yáng)能利用率達(dá)到最大化，大幅提高系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率。

4　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本系統(tǒng)以TI公司的DSP TMS320F28035為主控制器，主要完成環(huán)境光強(qiáng)檢測(cè)、發(fā)送脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、實(shí)施MPPT策略使太陽(yáng)電池板工作在最大功率點(diǎn)附近等功能。步進(jìn)電機(jī)選用Shinano公司的S42D110A-MAA0S2，并采用鳴志MSST5-Q作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，步距角通過(guò)細(xì)分可達(dá)0.036°。選用型號(hào)為HYT15D-12的單晶硅太陽(yáng)電池板，其相關(guān)性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　光伏組件參數(shù)

系統(tǒng)測(cè)試選用3個(gè)型號(hào)均為HYT15D-12的同規(guī)格太陽(yáng)電池板，分別安裝在固定朝南45°的支架、采用高度角-方位角追蹤策略的雙軸傳動(dòng)執(zhí)行裝置、采用俯仰-東西追蹤策略的雙軸傳動(dòng)執(zhí)行裝置上；于2016年6月13日在吉林省長(zhǎng)春市進(jìn)行測(cè)試，天氣狀況為晴朗少云，光照充足；3種安裝方式均采用改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法盡可能使太陽(yáng)電池板工作在最大功率點(diǎn)附近。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果如表2所示，Uout、Iout分別表示充電時(shí)太陽(yáng)電池板的端電壓和輸出電流，Pout是由Uout、Iout計(jì)算得到的輸出功率，p1是采用新型追蹤策略后輸出功率相對(duì)固定安裝方式提升的百分比，p2是采用新型追蹤策略后輸出功率相對(duì)高度角-方位角追蹤方式提升的百分比。

表2　3種安裝方式的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

由表2測(cè)試結(jié)果可知，采用新型追蹤策略后，由于能夠動(dòng)態(tài)追蹤太陽(yáng)位置，太陽(yáng)電池板輸出穩(wěn)定且接近標(biāo)稱(chēng)功率，與固定安裝方式相比提升了21%以上；而與傳統(tǒng)的高度角-方位角追蹤策略相比，對(duì)太陽(yáng)的追蹤精度有所下降，但由于在相對(duì)固定的俯仰周期內(nèi)只需調(diào)整東西方向的步進(jìn)電機(jī)，顯著降低了系統(tǒng)的運(yùn)行功耗，所以輸出功率相對(duì)提升了7%左右。另外，新型追蹤策略實(shí)現(xiàn)了一定意義的單軸追蹤，降低了傳動(dòng)機(jī)械裝置的損耗，大幅減少了主控制器程序設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試是在一天內(nèi)較為理想的天氣下進(jìn)行的，并未考慮到陰雨或多云天氣的不利影響，弱光或無(wú)光時(shí)仍進(jìn)行追蹤，造成能源浪費(fèi)，而且無(wú)法自動(dòng)修正控制誤差和機(jī)械傳動(dòng)誤差，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)造成較大的累積誤差?？梢钥紤]加入光電檢測(cè)模塊，先對(duì)周?chē)h(huán)境光強(qiáng)進(jìn)行檢測(cè)，若是低于設(shè)定的感光閾值，就讓系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待下一個(gè)周期再重新檢測(cè)；若超過(guò)閾值，就進(jìn)入追蹤模式，先在大范圍內(nèi)采用新型追蹤策略搜索太陽(yáng)的位置，達(dá)到一定精度范圍后再通過(guò)光電檢測(cè)模塊對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行精確追蹤。這樣可以避免陰雨或多云天氣下的能源浪費(fèi)，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的累計(jì)誤差進(jìn)行自動(dòng)修正，能夠?qū)崿F(xiàn)較高效率的光電轉(zhuǎn)換。

5　結(jié)論

本文通過(guò)分析太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律提出了一種新型的太陽(yáng)追蹤策略，先開(kāi)啟檢測(cè)模式檢查周?chē)鈴?qiáng)是否達(dá)到設(shè)定閾值，再開(kāi)啟追蹤模式由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)太陽(yáng)電池板轉(zhuǎn)到與太陽(yáng)光線垂直的位置。這一過(guò)程中，先在俯仰方向進(jìn)行調(diào)整，后調(diào)整東西方位，實(shí)現(xiàn)了一定意義上的單軸追蹤，并結(jié)合離散式運(yùn)行策略極大降低了系統(tǒng)的自身功耗。在盡可能收集太陽(yáng)光使其聚集到太陽(yáng)電池板后，通過(guò)改進(jìn)型擾動(dòng)觀察法使太陽(yáng)電池板工作在最大功率點(diǎn)附近，有效避免了傳統(tǒng)直接充電方式對(duì)輸出電壓的限制和光強(qiáng)變化引起的誤操作問(wèn)題，使電池板輸出功率達(dá)到最大化。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，采用新型追蹤策略的雙軸跟蹤裝置與固定安裝方式相比提升21%以上，而與傳統(tǒng)的高度角-方位角追蹤策略相比提升7%左右，具有一定的研究意義和推廣價(jià)值。

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2016-05-26

曹秒 (1975—)，女，副教授、博士，主要從事新型光電儀器方面的研究。79816540@qq.com