太阳能跟踪系统设计

新能源专题太阳能跟踪系统设计王淼王保利焦翠坪景崇友（保定天威集团有限公词技术中心，河北保定０７１０５６）摘要为了更充分、高效地利用太阳能，班普遍采用跟踪太黼的方式是秀最大限度地获释输出功率。本文介绍了太阳跟踪系统的控制原理、系统硬件组成和控制算法。在此蕊础上设计了一种跋踪精度高、结构麓攀、控剃爵靠爨双辘太麓能跟踪系统，哀效缝提巍了太强隧的零ｊ援搴。并通过试验验证了此太阳熊跟踪系统往晴朗的气候条件下，比隧定式至少提高发电蘸２５％。关键词；太阳能跟踪系统；时空控制；光强控制；跟踪传感器；太阳运行轨迹计算ＤｅｓｉｇｎｏｆＳｏｌａｒＴｒａｃｋｉｎｇＳｙｓｔｅｍＷａｎｇＭｉａｏＷａｎｇＢａｏｌｉＪｉａｏＣｕｉｐｉｎｇＪｉｎｇＣｈｏｎｇｙｏｕ≤Ｒ＆ＤＣｅｎｔｅｒ，ＢａｏｄｉｎｇＴｉａｎｗｅｉＧｒｏｕｐＣｏ．，Ｌｔｄ。，Ｂａｏｄｉｎｇ，Ｈｅｂｅｉ０７１０５６）Ａｂｓｔｒａｃｔｓｕｎ’ｓＩｎｏｒｄｅｒｔｏｍｏｒｅｆｕｌｌｙａｎｄｅｆ髓ｃｉｅｎｔｔｏｕｓｅｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．ｉＳｃｏｍｍｏｎｌｙｕｓｅｄｔＯｔｒａｃｋｔｈｅｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｍａｘｉｍｉｚｅｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒ。Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｄｅｓｃｒｉｂｅｓｔｈｅｓｏｌａｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｏｒｙ，ａｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｒｄｗａｒｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ。Ｏｎｔｈｉｓｂａｓｉｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｒｅｌｉａｂｌｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｕａｌ－ａｘｉｓｔｅｓｔｓｔｒａｃｋｉｎｇａｎｄｈｉｇｈｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｓｕｎｎｙｗｅａｔｈｅｒｓｏｌａｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ，ｗｈｉｃｈｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｓｏｌａｒｅｎｅｒｇｙ．Ａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｏｆｔｈｉｓｓｏｌａｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ｔｈａｎｆｉｘｅｄａｔｌｅａｓｔ２５ｐｅｒｃｅｎｔｃａｐａｃｉｔｉｅｓ。Ｋｅｙｗｏｒｄｓ．ｓｏｌａｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｙｓｔｅｍ；ｔｉｍｅａｎｄｓｐａｃｅｃｏｎｔｒｏｌ；ｌｉｇｈｔｉｎｔｅｎｓｉｔｙｃｏｎｔｒｏｌ；ｓｏｌａｒｔｒａｃｋｉｎｇｓｅｎｓｏｒ；ｓｕｎｔｒａｊｅｃｔｏｒｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ１引言随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污来完成。２太阳麓跟踪控制方法常用的太阳能跟踪控制方法主要有以下三种；匀速控制方法、光强控制方法以及时窝控制方法。（１）匀速控制方法由于地球的囱转速度是固定的，霹以认隽，犟土太阳从东方升起经正南方向向题运动并落山，太鳓在方位角上以１５０，ｈ匀速运动，２４ｈ移动一周。离度角等予当地纬度作为一个极轴不交。葵跟踪过程是将阉定在极轴上的太阳能电池板以地球自转角速度１５０，ｈ的速度转动，即霹达到跟踪太阳，傈持太阳能电滟板平瞬与太阳光线垂壹的酲酶。该方法控制简单，但安装调熬困难，初始角度很难确定和调节，受季节等因素影响较大，控制精度较差。（２）必强控制方法。在端度角和方位角跟踪时分别利用两只光敏电漶作为太阳位置豹敏感元件。４只光敏电渔安装在～染问题日益突出，太阳能这个清洁的可再生能源，已受到许多国家的高度重视和利用。我国是一个太闭能资源较为丰富的因家，且分布范嗣较广。因此充分利用太阳能资源，有着深远的熊源战略意义。嗽太阳能电池板的特性可知，它的发电壁与照射到它上面的光照强度成芷比，丽接受太阳的巅射光，可以得到太阳的域大光照强度。试验谣明，采用相同功率的太阳电池板，自动跟踪式光伏发电设备要比固定式光伏发电设备提高发电量至少在２５％以上，成本下降２０％［１ｌ。国于太阳的位置簿时簿亥ｌ都在变化，糟想在太阉能电池板上得到最大输出功率，就必须要太阳能电池板随时跟随太阳的运动轨迹运动，才熊保证太阳光始终垂整照射到太阳缝电池板上。为实现太阳光始终垂直照射到太阳能电池擞上这一目的，就需要用太阳光自动跟踪控制系统１００ｌ电’技贰２００９年第８个透光的玻璃试管中。如图１所示，每对光敏电池被中阀隔板隰搿，对称地敖在隔扳甄侧。当电溅叛对准太阳时，太阳光平行于隔板，两只光敏电池的感光量相等，输出电压相刚引。当太阳光略有偏移时，隔板鼹淤影落在其串～只光敏电池上，使两必光敏电池的感光量不等，输出电压也不相等。根据输出电压的变纯来进行太麓戆鼹踪控制。该方法酶特点是测量精度高、电路简单、易予实现，但在多云和貔天环境下会爨现无法跟踪的蠲题。｛口／＼白卜＼口［］所谯平砸＞＜。》＜。／Ｉｉｌ１毙隳控嗣秀式零誊豳（３）时空控制方法太鬻鳇运行孰迹怒与霹闻、季节、当地经纬凌等诸多复杂因索有关的。因此，可以将上述相关的数据预先输入到徽处理器中通过程序凌表并进行太阳方位角和高度角的计算，实现时间和空间上的同步，最终得出实际角度以实现精确的控制。该方法精度嘉，爨有较好酌适应性，侄程序爱杂，不易于实现Ⅲ。３系统组成及工作原理３。１系统缠成太阳跟踪控制系统（以下简称：控制系统）主要由太阳光跟踪传感器、风速传感器、光照度传感器、ＣｐＵ主控制器、魂概驱动攀元和豫护电路维戒。它不仅控制太阳能光伏阵列跟随太阳运动，ｊ丕具有在大风、阴天、夜间光源干扰等气候条传下熬保护功能。同时舆锯与上位机通信的功能，便于设备的远程管理。如圈２所示。图２系统组成淤意图（１）太阳光跟踪传感器新能源专题太阳光跟踪传感器（以下简称：跟踪传感器）是检测光伏簿列是否对准太怒酶基准。当太阳巍垂直照射到跟踪传感器上时，跟踪传躲器四个方位的输出信号全部为零，表示跟踪传感器已对准太阳。当太阳光编蒜垂鬟照射跟踪传感器时，躐踪传感器能检测出当前太阳偏离跟踪传感器的方位，同时在跟踪传感器楼应方便的输磁端，会蠢售号输寤。如图３所示。豳３太鞠先舔黥传蓥器示意图（２）风速传感器通过风速传感器对飙速进行检测，簧感器检测到信号以后，通过Ａ／Ｄ将信号输出给主控制器，当风速达到或大予定馕对，控制部分发凄指令，逶过接口电路驱动执行机构，调熬光伏阵列到水平角度，从而保证光伏阵列单元的安全运行。（３）光照度佟感器通过光强传感器对太阳光强进行检测，使系统可以在不露鲶天气交往纛攀第变优酶情况下，采耀不同的控制策略进行自动跟踪，提高太阳熊的利用效率。当系绞采集瓣实时环境毙强秘实时瞬阀都套于设定的最小经济发电光强时，太阳能电池板恢复到原始位置，等德光强达到设定值珏寸霉次运行。（４）ＣＰＵ控制肇元ＣＰＵ控制单元是整个控制系统的核心，控制策珞阉题至关羹要。趿踪特性采爰光线控制势主，时空控制为辅的控制策略，这种控制策略可以降低系统的囊身功耗。充分考虑到系统在运行过程渗，会遇到的各种外界因索的影响（如：大风、夜间光线予挽、瞬薅、多云气候等＞，这些影响在程序中进行甄别，选择优化的挖制方式，从而保证系统的跟踪精度，提高系统的可靠性和稳定性。网时ＣＰＵ控制单元还担负著与上位机通信的功能。（５）电机驱动单元在控制攀元发滋跟踪信号后，透过电撬驱动攀元驱动不同类型的电机（如：交流电机、直流电机、步进电视等）使其转动，使电洼板阵歹｜ｌ重巍蘸宣警獭９霉攀８期匏＝ｌｔｔ］ｌｔ｜１０１新能源专题太阳光。＜６＞傈护电路由于光伏阵列跟踪支架的方位角旋转角度为圭ｌｌＯ。，高度角旋转角度为ｌｏ～８伊。为了保证舔踪支架的安全，在方位角和高度角的４今极限位受上，要设计保护电路。３。２工作原理系统第一次舜极舞毙进行时阁校正，逶过薯动调整当前正确时刻，并存储在时钟芯片中，作为基准时阀。在晴天光线正常时，弦睾通过鞭踪簧感器剿颤太阳光与光伏电池阵列平面是否难宜，如果垂商控制擎元不发蠢控铡信譬，不驱动瞧枫转动，傈掩当蘸瞧浊板懿德转角度：若不垂直燹｜ｌ发出控制靠墨，驱动电机转动，再通过传动机构带动电池板转动，教消除角度褊差，重掰使＿太阳光与魄洼板垂奁，这样躅露复始靛王作，实现实时跟踪的疆的。在阴天或多云光线不正常时，程序通过当前时阕、季节、当地经纬度计算太阳的方僚危和赢凌角，荠通过位置传感器判定电漶板阵列的当前链置，控制单元发出控制信号驱动电机转动，再通过传动机构带动电池板转动，傻窀池板舔随太阳酶运行鞔迹转动，达到跟踪太弱的爨的。为了节电，当程序检测出光强达到一定值时系统方舜始舔踩，低于菜羞时翻箨止跟踪，降低逛视频繁工锋造成熬按耗。两在疫闻煲｜ｊ自动关闭电源，降低能耗。４太阳运行轨迹计算方法太阳运行轨迹其变就是计算在地球某一点上观看窄中豹太豳捆对地球的使置。这时，太鞘耀对地球的位置是相对地面面言的，用高度角和方位角两个坐标表示。４．１太泪高度角指从太阳中心直射到当地的光线与当地求平亟的夹角（或观测点到太阳的连线与地面之间的夹角），其篷在００剽９０。之阗变化，黯出日落时必零，太阳在正天顶上为９０。。正午时（指当地真太阳时的正午。不怒北京时闻麴中午１２点，也不是地方平财的１２点，巍是太阳中心正好在子午线上的时间，也即太阳方位角由负值变为正值的瞬间）太阳高度角怒一天中太阳高度角的最大傻（赊极地部分地区终），夏攀这个值较大，冬季较小，夏至时最大，冬至时最小。太阳Ｉ１０２Ｉ电■技玳２００９年第８期高度角（纛ｐ）豹计算公式为［４１：ｓｉｎｈ《ｊ》：ｓｉ秘爹ｓｉ珏毋÷ｃｏｓ妒ｅｏｓ《靶ｏｓ国（１）式中，∞为地理纬度；６为太阳赤纬；∞为时角。ＣＯ（辩惫）：戳警地真太阳时正午魏零痰，下午为歪，上午麓受，每，ｌ、时１５。。正午时刻（∞一０）太阳高度角的表达式：ｈｐ＝９００＿妒谨（太阳在天顶淤南）ｈ６９＝９００＋够．艿（太阳在天矮以ｊ艺）当计算比ｈｐ＞９００时，则取其补角。４．２太嗣方位角指太阳光线在她乎西上的投影与当地予午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的鞠影与正南方的夹角。方位麓良歪游方向蔻零，交枣｜Ｌ东囊＝ｌ艺茭负，出南向西囱托为纛，翔太阳在正东方，方位角为，９００，在正东北方时，方位为．１３５。，在正蚕方时方位角为９０。，在芷≤艺方时菇圭１８０。实际上太阳荠不总是东舞魏落，只有程春秋分两天，太阳是从正东方升，正两方落。在北半球，从春分到秋分的爱半年中，太阳觚东傣≤乏的方自升（方缱角灸．９０。到。１８妒之闽），在莲缡北的方向落（方位角为９０。到１８００之间）；而从秋分到下一年舂分的冬半年中，太嗣麸东镶南麓方稳升（方位熊必．９０。到０。之闻），在莲镳麓麴方向落（方位惫为Ｏｏ到９００之间）。太阳方位角（彳）的计算公式为【４ｌｃｏｓＡ＝一ｓｉｎＳｓｅｅ伊（２）式中，妒为地理纬度：万失太阳券纬。５试验结果该系统应用在天威集团有限公司４０ｋＷ光伏并网示范工程中（觅图４），并通过试验测试在太阳能发电中，攘阁条搏下，采用囱动跟踪式魏发电设餐要比固定式的发电设备效率提高情况。圈４太阳麓跟踪系统碰用示意豳５．１接线源理图（凳瞄５）在１２台跟踪式太阳能光伏阵列中选择两台进行试验，酋先将ｌ箨电池板阵列的太阳麓自渤跟踪器新能源专题关闭，并通过手动调节将电池板阵列调整为面向正南、仰角４５。的位置，使其同定不动；而２群电池板阵列的太阳能自动跟踪器起动，使其自动跟踪太阳的位置。在此状态下测量两块电池板阵列的电压、电流和功率，因两块电池板阵列并联接在直流母排上，所以电压值为同一值。¨图７直流功率图艇毁Ｕ＋．｜｜＝辛。５．２结果分析（试验时问１２月１８日）。６结论本文设计的二维太阳跟踪系统可以精确的对太阳的方位和高度角进行实时自动跟踪，既确保了对电一篇＃ｉ习严偶ＰＬＣｌ［ｒ，ＩＮＩＩ－。器－跟踪精度的要求，用性强等特点。同时具有结构简单、成本低、适太阳跟踪控制系统研发成功后，已有１２台产品应用到光伏发电系统中。经过３个多月的运行，系统运行可靠、稳定，并且１２台产品的跟踪一致性好。参考文献【ｌ】赵争鸣，刘建政，孙晓英等．太阳能光伏发电及其应用【Ｍ】．北京：科学出版社，２００５．【２】ＷｉｌｌｉａｍＢＳｔｉｎｅ，Ｒｏｙｍｏｎｄ图５太阳能跟踪系统试验接线原理图从图６～７中可以看出在早晚时间段上跟踪式的电池板阵列比固定式的电池板阵列在很大程度上提高了输出功率；而在中午时分阒跟踪与同定的电池板阵列位置相差不大，所以其输出功率也基本一致。通过一天的数据采集，计算后提高输出功率２５．３％ＷＨａｒｒｉｇａｎ．“ＳｏｌａｒＥｎｅｒｇｙＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓａｎｄＤｅｓｉｇｎ”１９８５：５９・６４．【３】张鹏，王兴君，王松林．光线自动跟踪在太阳能光伏系统中的应用【Ｊ】．现代电子技术，２００７（１４）．【４】沈辉．太阳能光伏发电技术【Ｍ】一匕京：化学工业出版社，２００５．作者简介王淼（１９７７．），男，２００１年毕业于北京机械工业学院机电系，学士，现在保定天威集团有限公司技术中心．从事电力电子及太阳图６直流电流图能并嗍发电和风力发电等研发工作。北京电力设备高压直流滤波电抗器出口美国近日，北京电力设备总厂与瑞典ＡＢＢ公司正式签订了出口美圜的高压直流滤波电抗器合同。此次瑞典ＡＢＢ公司作为美国洛杉矶水电部ＩＰＰ项目的承包方与北京电力设备总厂签订了ｌＯ种型号的４５台电抗器的供货合同，是该厂高压直流滤波电抗器首次出口美国的项目，也是该产品首次进入欧美等发达国家市场．标志着该厂向“国内一流，国际知名”的战略目标踏踏实实地又迈进了一步。２００９年第８期电鼍技术ｆ１０３太阳能跟踪系统设计

作者：作者单位：

王淼， 王保利， 焦翠坪， 景崇友

保定天威集团有限公司技术中心,河北,保定,071056

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