羅龍 蔣銳 唐光 羅文學(xué) 羅候
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現(xiàn)在主流逐日系統(tǒng)是采用光傳感器[1]作為逐日系統(tǒng)的信號(hào)源,但光傳感器價(jià)格高,安裝調(diào)試復(fù)雜,運(yùn)行維修成本高,不宜推廣使用,因此,被斜單軸逐日系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)所代替。雖然采用斜單軸逐日系統(tǒng)發(fā)電占用土地面積比固定支架形式的面積要大,但是調(diào)整前后的總效益增加57.83%[2]。因此本文對(duì)逐日數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了優(yōu)化,研究一種無(wú)傳感器控制算法的斜單軸逐日系統(tǒng),這種算法能直接轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品,裝備到光伏發(fā)電設(shè)備上,在運(yùn)用上有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
雖然太陽(yáng)輻射能量受大氣質(zhì)量、地球的自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)等因素影響,但是每個(gè)光伏電站地址唯一,可由衛(wèi)星進(jìn)行精確測(cè)定,可得出精確的緯度、經(jīng)度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)前需對(duì)日出、日落時(shí)的角度基本參數(shù)進(jìn)行確定,對(duì)太陽(yáng)光的最大輻射量和最佳輻射角度(最佳傾角)如圖1所示等進(jìn)行建模分析,以保證光伏矩陣接收到最大光輻射。太陽(yáng)赤緯角指的是太陽(yáng)光線與地球赤道平面的夾角。赤緯角以年為周期,在-23027′~23°27′ 范圍內(nèi)變化,春分和秋分時(shí)刻為零,夏至和冬至分別達(dá)到兩個(gè)極值。赤緯角計(jì)算常采用經(jīng)驗(yàn)公式[3]:
光伏矩陣的太陽(yáng)輻射總量通常為太陽(yáng)輻射量、天空散射輻射量和地面反射輻射量。在這里我們采用模型引入天空晴朗指數(shù)[4],同時(shí)認(rèn)為來(lái)自天空的輻射量是各項(xiàng)同性,地面部分各項(xiàng)異性。傾斜面上的太陽(yáng)輻射量可用下式表達(dá):
公式中:Ht為傾斜面上的太陽(yáng)輻射總量,Hb水平面上的太陽(yáng)直接輻射量,Hd為散射輻射量H0為大氣層外水平面上太陽(yáng)輻射量,β為光伏電池傾角,ρ為地面反射率,ψ為當(dāng)?shù)鼐暥?,Rb為傾斜面與水平面上的太陽(yáng)直接輻射比。
ωs為水平面上的日出、日落時(shí)角,ωs′為傾斜面上的日出、日落時(shí)角,Isc為太陽(yáng)常數(shù):1367W/m2,γ為日、地距離變化引起大氣層上界的太陽(yáng)輻射通量修正值,ψ為地理緯度由公式(2)式變換得到優(yōu)化后的最佳單軸傾角數(shù)學(xué)模型:
根據(jù)最佳單軸傾角數(shù)學(xué)模型,利用MATLANB軟件進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。當(dāng)光伏電站位置一旦選定,地理緯度角ψ,太陽(yáng)赤緯角δ,太陽(yáng)時(shí)角ωs在固定的時(shí)間是唯一值。因此在獲取最大輻射時(shí),最佳傾角β能進(jìn)行進(jìn)算,將最佳傾角通過(guò)換算推進(jìn)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)光伏電池達(dá)到最理想位置狀態(tài)。
實(shí)驗(yàn)仿真地點(diǎn)選在緯度ψ=400的敦煌附近,由最佳傾角數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真,得到如圖2。
圖2 最佳傾斜角度隨時(shí)間變化仿真圖
在一天中任意取一段時(shí)間進(jìn)行逐日仿真,太陽(yáng)最大輻射量與逐日傾角從0~90度區(qū)間內(nèi)的變化如圖3。
圖3 太陽(yáng)輻射量與傾斜角度變化仿真圖
在最佳單軸傾角數(shù)學(xué)模型線,采用無(wú)傳感器控制理論下,進(jìn)行仿真。根據(jù)結(jié)果分析,最佳傾斜角度控制在480時(shí),是光伏矩陣接受太陽(yáng)輻射量最大的時(shí)候,因此采用這種無(wú)傳感器模型的逐日控制系統(tǒng)可以提高光電轉(zhuǎn)換能力,增加發(fā)電量,降低成本,且安裝、調(diào)試簡(jiǎn)單,對(duì)逐日系統(tǒng)的發(fā)展有一定的實(shí)踐運(yùn)用意義。