王 琪，黃家兵，沈 妍，彭 程，朱 超

(1.江蘇科技大學(xué)機(jī)電與動(dòng)力工程學(xué)院，蘇州 215600；2.蘇州聚晟太陽(yáng)能科技股份有限公司，蘇州 215600)

0 引言

天氣狀況、晝夜交替、季節(jié)更迭、地理位置差異等自然環(huán)境因素會(huì)對(duì)光伏發(fā)電產(chǎn)生較大影響，因此提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和工作穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。通過(guò)改變光伏組件的傾角可使光伏組件盡量正對(duì)著太陽(yáng)直射光，這是提高光伏組件發(fā)電量的有效方式之一[1]，而將光伏組件和平單軸跟蹤光伏支架相結(jié)合，根據(jù)GPS提供的數(shù)據(jù)，利用天文算法來(lái)確定太陽(yáng)位置，通過(guò)電動(dòng)推桿動(dòng)作來(lái)控制光伏支架上光伏組件的傾角，可實(shí)現(xiàn)光伏組件的追日跟蹤。但此種跟蹤方式較為單一，并且采用的是開(kāi)環(huán)控制方式，具有精度較低、存在累積誤差的缺點(diǎn)。本文對(duì)上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，在利用GPS提供的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結(jié)合的光伏跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，并且針對(duì)光伏組件傾角過(guò)大會(huì)產(chǎn)生陰影遮擋的問(wèn)題，在正跟蹤模式的基礎(chǔ)上引入了逆跟蹤模式。該系統(tǒng)主要有4種工作模式，其會(huì)根據(jù)不同的狀況采用不同的工作模式，且能根據(jù)不同地理位置、日期、天氣等情況調(diào)整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態(tài)。

1 光伏跟蹤系統(tǒng)工作模式的設(shè)計(jì)

本文所述光伏跟蹤系統(tǒng)中的GPS模塊用于提供經(jīng)度、緯度、日期、時(shí)間等數(shù)據(jù)[2]。該系統(tǒng)通過(guò)天文算法計(jì)算出太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置后，據(jù)此來(lái)調(diào)整其理論跟蹤角度，由此來(lái)改變安裝于平單軸跟蹤光伏支架上的光伏組件傾角，并且利用傾角傳感器實(shí)時(shí)反饋系統(tǒng)的實(shí)際跟蹤角度。當(dāng)實(shí)際跟蹤角度與理論跟蹤角度一致時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了光伏組件的追日跟蹤。此種閉環(huán)控制方式能通過(guò)傾角傳感器反饋量來(lái)消除累計(jì)誤差，使光伏跟蹤系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)仍能具有較高的精度。本文所述光伏跟蹤系統(tǒng)的控制原理圖如圖1所示。

圖1 本文所述光伏跟蹤系統(tǒng)的控制原理圖Fig. 1 Control principle diagram of PV tracking system described in this article

該光伏跟蹤系統(tǒng)主要有正跟蹤模式、逆跟蹤模式、固定傾角模式和手動(dòng)模式4種工作模式，會(huì)根據(jù)不同的情況選擇不同的工作模式。

1.1 正跟蹤模式

在正跟蹤模式下，照射到光伏組件平面上某點(diǎn)的太陽(yáng)直射光線應(yīng)盡量與光伏組件平面垂直。而確定平單軸跟蹤光伏支架上的光伏組件傾角時(shí)，需要考慮到太陽(yáng)相對(duì)于光伏組件的位置，該位置可以在地平坐標(biāo)系中通過(guò)天文算法計(jì)算得到[3]，計(jì)算時(shí)涉及到的參數(shù)包括赤緯角δ、時(shí)角ω、太陽(yáng)高度角α和方位角λ。

赤緯角δ用于表示太陽(yáng)和地球中心的連線與地球赤道所在平面之間的夾角，中國(guó)氣象科學(xué)研究院的研究員王炳忠曾提出一種高精度計(jì)算δ的方法，稱作“Wang算法”[4]。該算法的表達(dá)式為：

式中，N為積日，即從每年的1月1日到計(jì)算日當(dāng)天的天數(shù)；N0為積日的修正常數(shù)，其考慮了積日類差和閏年的影響，近似取值為79.67。

時(shí)角ω是指測(cè)量地所在的子午圈與太陽(yáng)直射點(diǎn)所在的經(jīng)線之間的夾角，其隨時(shí)間變化而變化。ω的計(jì)算式可表示為：

式中，ts為測(cè)量地的真太陽(yáng)時(shí)。

ts可表示為：

式中，t0為北京時(shí)間；J為測(cè)量地的經(jīng)度，西經(jīng)時(shí)取“+”，東經(jīng)時(shí)取“–”；E為時(shí)差。

其中，E可表示為：

太陽(yáng)高度角α是指太陽(yáng)直射光線與其在水平面上投影的夾角。α的計(jì)算式可表示為：

式中，f為測(cè)量地的緯度。

方位角λ是指太陽(yáng)直射光線在水平面上的投影偏離正南方向的角度。λ的計(jì)算式可表示為：

當(dāng)光伏跟蹤系統(tǒng)采用正跟蹤模式時(shí)，太陽(yáng)直射光線L在光伏組件受光面上的投影應(yīng)盡量與光伏支架主梁所在軸線重合，即L在ZOY平面上的投影L0應(yīng)盡量垂直于光伏組件，此時(shí)太陽(yáng)直射光線的入射角最大，具體如圖2所示。圖中，α0為L(zhǎng)0與Y軸的夾角。

圖2 太陽(yáng)直射光線在光伏組件受光面上的投影示意圖Fig. 2 Schematic diagram of projection of direct sun rays on light-receiving surface of PV modules

α0的計(jì)算式可表示為：

在正跟蹤模式下，α0與光伏組件傾角α1互為余角，二者的關(guān)系示意圖如3所示。圖中，α2為理論跟蹤角度，其由光伏跟蹤系統(tǒng)中的控制單元根據(jù)相應(yīng)計(jì)算得到。

圖 3 α0與 α1的關(guān)系示意圖Fig. 3 Schematic diagram of relationship between α0 and α1

α0、α1及α2的關(guān)系式可表示為：

1.2 逆跟蹤模式

由于在日出和日落時(shí)α的值較低，若此時(shí)光伏組件受光面仍正對(duì)著太陽(yáng)直射光線，則會(huì)對(duì)其后排的光伏組件產(chǎn)生陰影遮擋[5]；而陰影遮擋會(huì)使光伏組件的發(fā)電量顯著下降，因此需要引入逆跟蹤模式，以規(guī)避陰影遮擋的情況。根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，無(wú)論是固定式光伏支架還是跟蹤式光伏支架，均要求所在地冬至日當(dāng)天09:00～15:00時(shí)段內(nèi)相鄰光伏支架之間互不遮擋。由于在09:00～15:00時(shí)太陽(yáng)輻照度最強(qiáng)，此時(shí)最好保證跟蹤式光伏支架的工作模式處于正跟蹤狀態(tài)[6]。由此，可計(jì)算得到相鄰光伏支架東西向最小間距D，其計(jì)算式為：

式中，B為單個(gè)光伏組件的寬度；d為太陽(yáng)直射光線在相鄰光伏支架間的地面投影長(zhǎng)度。

其中，d可表示為：

光伏跟蹤系統(tǒng)采用逆跟蹤模式后，α0與α1不再互為余角，正跟蹤模式下的算法不再適用于此時(shí)的平單軸跟蹤光伏支架，需要單獨(dú)計(jì)算此種模式下的光伏組件傾角，其示意圖如圖4所示。

圖4 逆跟蹤模式下的光伏組件傾角示意圖Fig. 4 Schematic diagram of PV module tilt angle in reverse tracking mode

可表示為：

逆跟蹤模式下的理論跟蹤角度可表示為：

1.3 固定傾角模式

為了保證平單軸跟蹤光伏支架在戶外長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，并方便工作人員對(duì)光伏支架進(jìn)行安裝、調(diào)試和維護(hù)，光伏跟蹤系統(tǒng)會(huì)在以下幾種狀況時(shí)采用固定傾角模式。

1)陰雨天氣時(shí)。由于晴天時(shí)太陽(yáng)輻照度對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響較大，因此可以根據(jù)所在地太陽(yáng)輻照度情況來(lái)適時(shí)調(diào)整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態(tài)。但陰雨天氣時(shí)，由于太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)不明顯且此時(shí)的太陽(yáng)散射光對(duì)光伏組件發(fā)電量的影響較大，因此若此時(shí)光伏支架仍保持晴天時(shí)跟蹤太陽(yáng)直射光的狀態(tài)，隨著太陽(yáng)方位而轉(zhuǎn)動(dòng)，會(huì)額外增加其電機(jī)的電量消耗。綜上分析，在連續(xù)陰雨天氣時(shí)，光伏跟蹤系統(tǒng)會(huì)通過(guò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將此時(shí)的理論跟蹤角度固定在185°并停止追日跟蹤。

2)光伏組件清洗時(shí)?；覊m覆蓋會(huì)對(duì)光伏組件性能產(chǎn)生較大影響，當(dāng)光伏組件上覆蓋的灰塵量達(dá)到12.64 g/m2時(shí)，其相對(duì)發(fā)電量將會(huì)下降20%左右[7]。由于光伏電站中光伏組件的尺寸較大，因此為了方便光伏組件清洗，此時(shí)光伏跟蹤系統(tǒng)采用固定傾角模式，將理論跟蹤角度固定在135°。雖然在組件清洗前需要檢測(cè)是否存在風(fēng)速異常的情況，但在組件清洗時(shí)光伏跟蹤系統(tǒng)不需要啟用計(jì)時(shí)恢復(fù)功能。

3)光伏支架處于防風(fēng)狀態(tài)時(shí)。由于光伏組件采用薄板結(jié)構(gòu)，光伏支架采用輕鋼結(jié)構(gòu)，因此在大風(fēng)天氣時(shí)，二者均容易被破壞。風(fēng)向不同對(duì)光伏組件產(chǎn)生的影響也會(huì)不同，光伏跟蹤系統(tǒng)利用風(fēng)速風(fēng)向傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速大于光伏跟蹤系統(tǒng)工作風(fēng)速閾值時(shí)，光伏跟蹤系統(tǒng)將采用固定傾角模式，會(huì)將光伏組件以迎風(fēng)傾斜5°放置[8]，即此時(shí)的理論跟蹤角度設(shè)定為175°或185°。當(dāng)光伏支架進(jìn)入防風(fēng)狀態(tài)后，控制程序會(huì)延時(shí)一段時(shí)間，此時(shí)的光伏支架繼續(xù)保持靜止；當(dāng)延時(shí)結(jié)束后，光伏跟蹤系統(tǒng)會(huì)再次比較風(fēng)速值，判斷是否恢復(fù)跟蹤狀態(tài)。

4)光伏支架處于防雪狀態(tài)時(shí)。由于大雪時(shí)容易出現(xiàn)積雪壓塌光伏組件及支架結(jié)構(gòu)的情況，而且積雪不融化或在光伏組件表面化霜結(jié)冰會(huì)嚴(yán)重影響光伏組件的工作狀態(tài)。因此，在大雪或易積雪天氣時(shí)光伏跟蹤系統(tǒng)的理論跟蹤角度會(huì)保持135°不變，使大雪不易積累在光伏組件表面。大雪天氣時(shí)常伴隨大風(fēng)，在光伏支架進(jìn)入防雪狀態(tài)前，應(yīng)先檢測(cè)風(fēng)速是否存在異常，若無(wú)異常則光伏支架會(huì)根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)入防雪狀態(tài)。

5)光伏支架處于夜間狀態(tài)時(shí)。根據(jù)天文算法可得到所在地不同時(shí)刻的α值，當(dāng)傍晚α≤0°時(shí)，光伏支架進(jìn)入夜間狀態(tài)，光伏跟蹤系統(tǒng)采取固定傾角模式，理論跟蹤角度固定為185°；而當(dāng)早晨α>0°時(shí)，則進(jìn)入跟蹤模式。

1.4 手動(dòng)模式

為方便工作人員對(duì)光伏跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試，增加了手動(dòng)模式，即利用按鍵和單片機(jī)指令來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動(dòng)，以方便臨時(shí)調(diào)整光伏組件的傾角。

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

該光伏跟蹤系統(tǒng)的硬件電路基于STM32單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)，硬件電路主要由電源單元、通信板、控制單元、電機(jī)、驅(qū)動(dòng)單元等幾大部分組成[9]。其中，通信板用于采集GPS提供的數(shù)據(jù)及風(fēng)速風(fēng)向儀測(cè)得的數(shù)據(jù)等信息，并將數(shù)據(jù)處理后傳送給控制單元，控制單元通過(guò)相應(yīng)計(jì)算得出理論跟蹤角度，并將該角度與傾角傳感器反饋的實(shí)際跟蹤角度進(jìn)行對(duì)比。為完善該光伏跟蹤系統(tǒng)的功能，通信板還包括了可進(jìn)行防雪、組件清洗等操作的按鈕，控制單元還包括啟用手動(dòng)模式時(shí)的按鈕、時(shí)鐘芯片等部件。硬件電路的框架圖如圖5所示。

圖5 硬件電路的框架圖Fig. 5 Frame diagram of the hardware circuit

控制單元采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)生產(chǎn)的STM32F0x芯片，負(fù)責(zé)對(duì)GPS、傾角傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀等反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析及計(jì)算。STM32F0x系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核，因運(yùn)行高速、低成本、低功耗的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型控制系統(tǒng)。

采用單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，內(nèi)部時(shí)鐘會(huì)受到外部晶振的影響，而環(huán)境溫度對(duì)外部晶振的影響較大，最終導(dǎo)致內(nèi)部時(shí)鐘的時(shí)間存在一定的誤差。因此在設(shè)計(jì)該光伏跟蹤系統(tǒng)時(shí)，額外增加了高精度時(shí)鐘芯片DS3231，該芯片內(nèi)部含有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，具有較強(qiáng)的適應(yīng)外部環(huán)境溫度變化的能力。此外，備用電池可為此時(shí)鐘芯片提供斷電后的續(xù)航，時(shí)鐘中的存儲(chǔ)芯片可以存儲(chǔ)斷電后的時(shí)間信息，從而保證了光伏跟蹤系統(tǒng)恢復(fù)工作后時(shí)間上的連續(xù)性。

整個(gè)電路系統(tǒng)要求電源單元為其提供大小合適且穩(wěn)定的電力。比如，通過(guò)外部的AC/DC電源單元將220 V交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?4 V直流電后，可通過(guò)LM2596開(kāi)關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片和隔離電源獲得+5 V的輸出電壓，通過(guò)SPX1117型低壓差穩(wěn)壓芯片可獲得3.3 V的輸出電壓，然后分別為不同電壓要求的芯片組件供電。此外，該控制單元通過(guò)H橋電路控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)正向和反向運(yùn)行[10]，并且利用驅(qū)動(dòng)芯片監(jiān)測(cè)電機(jī)的電流。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試與分析

通過(guò)上述公式可計(jì)算得到一天之中光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式和無(wú)逆跟蹤模式時(shí)的理論跟蹤角度。計(jì)算時(shí)的時(shí)間取2019年5月7日，地點(diǎn)選為江蘇省張家港市(120°E，31°N)，光伏組件寬度為1.2 m，相鄰光伏支架東西向最小間距取2.5 m。繪制時(shí)刻-理論跟蹤角度曲線圖，結(jié)果如圖6所示。

圖6 時(shí)刻-理論跟蹤角度曲線Fig. 6 Curve of time-theoretical tracking angle

由圖6可知，在無(wú)逆跟蹤模式下，日出(05:20)后理論跟蹤角度由夜間狀態(tài)時(shí)的180°轉(zhuǎn)變?yōu)?0°左右，這說(shuō)明跟蹤系統(tǒng)采用了正跟蹤模式，此時(shí)光伏組件受光面正對(duì)著太陽(yáng)直射光；然后隨著時(shí)間的變化，日落(18:40)后，理論跟蹤角度固定為185°，這說(shuō)明光伏支架再次進(jìn)入夜間狀態(tài)。在有逆跟蹤模式下，日出(05:20)后，跟蹤系統(tǒng)經(jīng)過(guò)短暫的調(diào)整階段后在05:25～07:35時(shí)進(jìn)入逆跟蹤模式，之后由于控制單元和限位組件對(duì)光伏組件進(jìn)行了限位保護(hù)，理論跟蹤角度達(dá)到135°時(shí)保持靜止，因此出現(xiàn)一段平滑直線；在08:45～15:00之間時(shí)，理論跟蹤角度值呈線性變化并升至最大值，這表明此時(shí)跟蹤系統(tǒng)采用了正跟蹤模式；在15:00～16:20，同樣由于限位保護(hù)的原因，理論跟蹤角度保持在225°，隨后，跟蹤系統(tǒng)再次經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的逆跟蹤模式后，理論跟蹤角度降至185°，光伏支架進(jìn)入夜間狀態(tài)。

為驗(yàn)證光伏跟蹤系統(tǒng)的控制單元在帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)的可靠性，在江蘇省張家港市(120°E，31°N)某科技園戶外實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式時(shí)控制單元的帶負(fù)載實(shí)地測(cè)試，并對(duì)光伏跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際跟蹤角度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。測(cè)試日期為2019年5月7日，光伏組件的寬度為1.2 m，相鄰光伏支架的東西向最小間距為2.5 m。測(cè)試當(dāng)天光伏跟蹤系統(tǒng)的時(shí)刻-實(shí)際跟蹤角度曲線如圖7所示。

圖7 時(shí)刻-實(shí)際跟蹤角度曲線Fig. 7 Curve of time-actual tracking angle

將光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式時(shí)的實(shí)際跟蹤角度與理論跟蹤角度進(jìn)行對(duì)比，并繪制相對(duì)于理論跟蹤角度而言，實(shí)際跟蹤角度的角度誤差柱狀圖，如圖8所示。由圖8可知，逆跟蹤階段(05:20～07:30和16:25～18:35)的實(shí)際跟蹤角度與理論跟蹤角度的跟蹤角度誤差范圍在±3°，正跟蹤階段(07:30～16:25)的跟蹤角度誤差范圍在±1°之內(nèi)，符合《太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)用對(duì)日單軸跟蹤系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)概要》中跟蹤精度在±10°以內(nèi)的設(shè)計(jì)要求。

圖8 跟蹤角度誤差柱狀圖Fig. 8 Histogram of tracking angle error

產(chǎn)生跟蹤角度誤差的原因主要有：電動(dòng)推桿調(diào)整的過(guò)程需要耗費(fèi)時(shí)間，此時(shí)的理論跟蹤角度也在實(shí)時(shí)變化，導(dǎo)致跟蹤角度誤差較大；帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)或存在風(fēng)荷載時(shí)均會(huì)對(duì)光伏支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細(xì)微影響，甚至?xí)构夥Ъ馨l(fā)生微小抖動(dòng)；傳感器及測(cè)量工具在安裝和測(cè)量時(shí)人為造成的誤差。

4 結(jié)論

本文提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結(jié)合的光伏跟蹤系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的追日跟蹤，克服了太陽(yáng)光的變化對(duì)光伏跟蹤系統(tǒng)的影響；鑒于在實(shí)際環(huán)境中的工作狀態(tài)，該系統(tǒng)還增加了逆跟蹤模式、固定傾角模式、手動(dòng)模式等工作模式。該系統(tǒng)基于STM32單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明，光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式進(jìn)行追日跟蹤時(shí)，在正跟蹤階段的跟蹤角度誤差在±1°以內(nèi)，逆跟蹤階段的跟蹤角度誤差在±3°以內(nèi)，能有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。