定时跟踪太阳时角提高光伏发电效率_樊国梁

2010 年 1 月 内 蒙 古 大 学 学 报 自 然 科 学 版 Jan. 2010 第 41卷 第 1期 Journal of Inner M ongo lia U niversity V o l. 41 N o. 1 文 章 编 号 1000- 1638 2010 0120116204 定 时 跟 踪 太 阳 时 角 提 高 光 伏 发 电 效 率 X 樊 国 梁 1, 张 晓 燕 2 1. 内 蒙 古 大 学 物 理 科 学 与 技 术 学 院 物 理 系 , 呼 和 浩 特 010021; 2. 内 蒙 古 工 业 大 学 理 学 院 物 理 系 , 呼 和 浩 特 010051 摘 要 分 析 了 跟 踪 太 阳 时 角 可 提 高 光 伏 效 率 的 原 理 , 给 出 了 定 时 跟 踪 的 电 路 原 理 图 . 节 省 了 传 感 器 和 相 关 电 路 的 成 本 和 功 耗 , 提 高 了 系 统 跟 踪 的 稳 定 性 . 该 电 路 由 单 片 机 控 制 , 可 以 根 据 当 地 的 地 理 条 件 进 行 一 次 设 置 常 年 跟 踪 . 采 用 太 阳 跟 踪 控 制 器 后 既 提 高 光 伏 效 率 , 同 时 操 作 简 单 , 易 于 普 及 应 用 . 关 键 词 光 伏 发 电 ; 单 片 机 ; 定 时 ; 跟 踪 中 图 分 类 号 T K511 文 献 标 志 码 A 引 言 近 年 来 , 随 着 太 阳 电 池 成 本 下 降 , 光 伏 发 电 已 成 为 太 阳 能 利 用 中 最 具 活 力 的 领 域 , 而 提 高 光 伏 发 电 装 置 的 转 换 效 率 是 进 一 步 利 用 太 阳 能 、 降 低 成 本 的 重 要 课 题 . 为 了 提 高 光 伏 发 电 系 统 的 转 换 效 率 , 需 要 提 高 光 伏 阵 列 吸 收 太 阳 辐 射 能 量 的 能 力 . 国 内 外 的 研 究 主 要 集 中 在 最 佳 倾 角 固 定 安 装 和 自 动 跟 踪 装 置 . 成 本 最 低 的 最 佳 倾 角 固 定 安 装 光 伏 阵 列 〔 122〕 , 由 于 太 阳 光 入 射 角 随 昼 夜 、 季 节 变 化 , 光 伏 阵 列 不 能 充 分 吸 收 太 阳 辐 射 的 能 量 , 反 而 造 成 性 价 比 较 低 . 自 动 跟 踪 装 置 〔 326〕 随 时 根 据 太 阳 的 运 行 轨 迹 调 整 阵 列 表 面 位 置 以 减 小 入 射 角 , 在 相 同 的 辐 照 条 件 下 吸 收 比 固 定 安 装 光 伏 阵 列 更 多 的 太 阳 辐 射 能 量 , 在 晴 朗 天 气 工 作 可 靠 . 由 于 太 阳 能 发 电 系 统 长 时 间 的 工 作 , 气 候 条 件 多 变 、 情 况 复 杂 , 自 动 跟 踪 系 统 的 传 感 器 分 辨 不 清 经 常 会 出 现 误 动 作 , 影 响 发 电 效 率 , 而 且 需 要 根 据 太 阳 光 的 强 弱 经 常 性 的 调 整 方 位 , 导 致 电 机 经 常 性 的 动 作 , 浪 费 电 能 , 容 易 造 成 系 统 损 坏 . 本 文 利 用 太 阳 辐 射 模 型 和 单 片 机 技 术 设 计 了 一 种 定 时 太 阳 角 跟 踪 系 统 , 不 依 赖 于 传 感 器 能 够 在 任 何 复 杂 天 气 情 况 下 工 作 , 最 大 限 度 的 接 收 太 阳 能 , 提 高 光 伏 效 率 , 并 且 考 虑 了 一 年 四 季 中 日 出 日 没 时 角 的 变 化 , 利 用 单 片 机 自 动 计 算 工 作 起 止 时 间 ; 同 时 省 去 传 感 器 , 降 低 成 本 , 增 强 了 系 统 工 作 的 可 靠 性 ; 设 置 了 休 眠 状 态 , 节 省 了 电 能 , 更 有 利 于 工 程 设 计 及 应 用 . 1 晴 天 太 阳 辐 射 简 化 模 型 最 常 用 的 晴 天 太 阳 辐 射 模 型 〔 728〕 有 二 种 Ho ttelM ode 和 T h relkeld r 地 球 在 椭 圆 轨 道 中 运 行 时 的 实 际 日 、 地 距 离 , 其 中 r0 为 日 、 地 平 均 距 离 ; D 太 阳 入 射 光 与 赤 道 平 面 的 夹 角 ; U 地 球 上 某 点 的 地 理 纬 度 ; B 朝 向 赤 道 的 平 面 与 当 地 水 平 面 切 面 之 间 的 夹 角 ; S 太 阳 时 角 , 太 阳 入 射 光 与 当 地 的 地 球 径 向 平 面 的 夹 角 . 从 1 式 可 以 得 到 , 地 球 上 某 一 地 点 朝 向 赤 道 倾 斜 平 面 的 地 外 小 时 曝 辐 量 的 大 小 决 定 于 两 个 因 素 一 个 是 太 阳 能 电 池 板 在 地 球 经 面 内 与 太 阳 光 线 的 夹 角 , 使 得 D- U B尽 量 小 , 另 一 个 是 时 角 的 跟 踪 , 使 得 co sS尽 量 大 . 2 跟 踪 原 理 根 据 1式 得 到 的 结 论 , 首 先 跟 踪 太 阳 时 角 S, 使 得 co sS 1, 此 时 1式 变 为 H O B 12PE S C r0 r 2∫ T 2 T 1 [ sinDsin U- B co sDco s U- B ]dS 12PE S C r0 r 2co s D - U B T 2 - T 1 2 此 时 如 果 能 够 将 co s D- U B 1, 只 需 D- U B 0, 也 就 是 我 们 在 安 置 朝 向 赤 道 的 太 阳 电 池 板 平 面 与 太 阳 光 在 地 球 经 面 内 垂 直 , 在 时 角 完 全 跟 踪 太 阳 , 则 co sS 1, 则 2式 可 以 简 化 为 H O B 12PE S C r0 r 2 T 2 - T 1 3 如 果 固 定 方 位 安 装 太 阳 能 电 池 板 , 一 般 使 得 U- B 0, 一 天 内 太 阳 赤 纬 角 值 的 变 化 可 以 忽 略 不 计 , 并 且 使 得 co sD 1, 假 设 时 间 间 隔 T 2- T 1 较 小 , 可 以 认 为 co sS为 [T 1, T 2 ]中 间 的 值 co sS0 这 样 1 式 化 为 H ′ O B 12PE S C r0 r 2∫ T 2 T 1 co sS0dS 12PE S C r0 r 2co sS0 T 2 - T 1 4 4 式 中 的 曝 辐 量 与 时 角 S0 有 关 , 图 1 给 出 了 两 种 情 况 的 归 一 化 曝 辐 量 , ▲ 表 示 跟 踪 时 角 的 归 一 化 曝 辐 量 h H O BM A X H O B , ◆ 表 示 固 定 方 位 角 的 归 一 化 曝 辐 量 h′ H ′ O BM A X H ′ O U . 对 比 3和 4固 定 方 位 角 比 跟 踪 时 角 多 了 一 个 余 弦 因 子 co sS0, 因 此 曝 辐 量 大 大 下 降 . 3 式 给 出 了 在 固 定 时 间 T 12T 2 例 如 一 天 内 的 曝 辐 量 , 并 且 要 求 时 角 准 确 跟 踪 , 如 果 稍 有 夹 角 , 就 会 使 得 co sS0 不 等 于 1, 最 终 使 得 总 曝 辐 量 下 降 . 由 于 日 出 日 没 时 角 一 年 四 季 都 在 变 化 , 不 能 设 定 一 个 固 定 的 时 间 开 始 跟 踪 , 例 如 某 地 冬 季 太 阳 8 点 升 起 , 太 阳 能 电 池 板 朝 向 - 85 , 以 后 每 隔 20 m in 调 整 一 次 时 角 , 保 证 跟 踪 太 阳 ; 而 夏 季 太 阳 6 点 就 升 起 , 如 果 还 按 照 8 点 时 太 阳 能 电 池 板 朝 向 - 85 , 以 后 每 隔 20 m in 调 整 一 次 时 角 , 那 么 太 阳 电 池 板 始 终 和 太 阳 保 持 30 夹 角 , 不 能 极 大 限 度 的 增 加 曝 辐 量 . 必 须 根 据 理 论 计 算 和 当 地 环 境 条 件 进 行 设 定 , 每 天 朝 向 固 定 角 度 开 始 跟 踪 的 时 间 不 同 , 这 也 是 本 设 计 的 独 到 之 处 . 理 论 日 出 日 没 时 角 为 图 1 固 定 太 阳 时 角 和 跟 踪 太 阳 时 的 地 外 曝 辐 量 F ig. 1 So lar energy at fixed so lar tim e angle and track ing so lar tim e angle 711第 1 期 樊 国 梁 , 张 晓 燕 定 时 跟 踪 太 阳 时 角 提 高 光 伏 发 电 效 率 Xh co s- 1 - tgU tgD 5 其 中 , 赤 纬 角 D 23. 45 sin 360 284 n365 , n 为 从 元 旦 算 起 的 天 数 , 5 式 中 负 值 表 示 日 出 时 角 , 正 值 表 示 日 没 时 角 . 而 太 阳 时 角 X T s- 12 15 , 代 入 5式 , 得 到 每 日 日 出 日 没 时 刻 T s 12 115 co s- 1 - tgUtgD 6 由 6式 知 夏 秋 季 早 , 冬 春 季 晚 , 如 果 地 处 平 原 或 丘 陵 还 需 要 进 一 步 修 正 . 3 硬 件 原 理 根 据 以 上 原 理 设 计 单 片 机 控 制 的 硬 件 电 路 , 如 图 2, 采 用 性 价 比 高 , 稳 定 , 可 操 控 性 很 强 的 51 系 列 单 片 机 A T 89C52, 作 为 控 制 中 心 , 外 围 接 F lash 存 储 器 , 用 来 存 放 一 些 参 数 , 例 如 当 地 纬 度 、 安 装 日 期 、 时 角 修 正 因 子 等 , 时 间 由 日 历 时 钟 芯 片 D S1302 产 生 , 由 6 式 计 算 当 天 日 出 时 刻 , 由 单 片 机 发 出 指 令 控 制 驱 动 电 路 使 步 进 电 机 产 生 固 定 步 进 角 , 键 盘 显 示 电 路 用 来 设 置 参 数 . 由 于 赤 纬 度 常 年 变 化 不 大 , 每 月 变 化 8 左 右 , 可 以 每 月 进 行 人 工 调 整 一 次 或 按 照 最 佳 倾 角 安 装 即 可 . 而 太 阳 时 角 以 15 h 的 速 率 变 化 , 如 果 跟 踪 时 间 间 隔 太 小 会 造 成 电 机 运 转 太 频 繁 , 浪 费 电 能 , 跟 踪 间 隔 太 大 会 造 成 co sS0 的 出 现 , 所 以 我 们 采 用 每 隔 20 m in 步 进 5 跟 踪 一 次 的 方 式 , 太 阳 在 20 m in 内 转 过 5 , 这 个 角 度 可 以 忽 略 , 又 不 会 对 电 机 频 繁 动 作 . 在 不 跟 踪 的 时 间 内 和 夜 晚 , 为 了 降 低 电 路 的 功 耗 , 使 电 路 处 于 休 眠 状 态 , 节 省 能 源 . 休 眠 时 间 也 要 通 过 6式 计 算 , 如 果 时 间 不 包 含 在 日 出 日 没 时 间 段 内 就 进 入 休 眠 期 , 调 整 完 角 度 也 进 入 休 眠 期 , 等 时 钟 电 路 到 了 调 整 时 间 然 后 唤 醒 电 路 工 作 . 图 2 控 制 电 路 框 图 F ig. 2 D iagram of a contro l circuit 4 分 析 对 比 对 比 3和 4可 知 , 理 论 上 跟 踪 太 阳 时 角 比 固 定 方 位 角 提 高 单 位 时 间 太 阳 能 的 转 换 效 率 M H O B - H ′ O BH ′ O B 12 PE S C r0 r 2 T 2 - T 1 - 12 PE S C r0 r 2co sS 0 T 2 - T 1 12 PE S C r0 r 2co sS 0 T 2 - T 1 1 - co sS0co sS 0 如 果 按 照 一 天 日 照 时 间 12 小 时 计 算 , 一 天 增 加 的 太 阳 能 比 例 为 G 12 PE S C r0 r 2 [ P 2 - - P 2 ] - 12 PE S C r0 r 2 [ 1 - - 1 ] 12 PE S C r0 r 2 [ 1 - - 1 ] 1 - 2P 2 P P2 - 1 57 可 见 日 增 加 太 阳 能 提 高 了 57 , 可 以 增 加 太 阳 能 发 电 量 , 或 固 定 发 电 量 用 户 可 以 减 小 太 阳 能 板 面 积 , 进 而 降 低 成 本 . 811 内 蒙 古 大 学 学 报 自 然 科 学 版 2010 年 5 结 论 由 于 控 制 电 路 简 单 , 工 作 可 靠 , 实 用 范 围 广 , 适 合 于 光 伏 发 电 系 统 , 只 要 工 作 人 员 按 照 当 地 的 地 理 参 数 和 调 整 参 数 输 入 系 统 , 就 可 以 常 年 工 作 , 无 需 再 次 调 整 . 更 为 重 要 的 是 系 统 没 有 采 用 闭 环 控 制 的 传 感 器 , 所 以 不 受 季 节 和 气 候 影 响 , 消 除 因 季 节 变 化 而 产 生 的 积 累 误 差 . 阴 天 和 晴 天 的 转 动 位 置 相 同 , 即 使 是 在 天 气 变 化 比 较 复 杂 的 情 况 下 , 也 能 按 照 每 隔 20m in 5 步 进 的 方 式 正 常 工 作 , 提 高 太 阳 能 的 利 用 效 率 , 本 系 统 也 可 用 于 其 它 太 阳 能 利 用 装 置 . 参 考 文 献 [1 ] 朱 超 群 , 虞 静 明 . 我 国 最 佳 倾 角 的 计 算 及 其 变 化 [J ]. 太 阳 能 学 报 , 1992, 13 1 38244. [2 ] 杨 金 焕 . 固 定 式 光 伏 方 阵 最 佳 倾 角 的 分 析 [J ]. 太 阳 能 学 报 , 1992, 13 1 86292. [3 ] 张 迎 胜 , 唐 忆 春 , 杨 波 . 一 种 新 型 的 极 轴 式 自 动 跟 踪 装 置 [J ]. 太 阳 能 学 报 , 1994, 15 4 3772379. [4 ] 张 迎 胜 . 子 午 坐 标 双 轴 完 全 跟 踪 系 统 [J ]. 太 阳 能 学 报 , 1992, 13 3 2982302. [ 5 ] H elw a N H ,Bangat A B G, Shenaw y E T. M axim um co llectable so lar energy by different so lar track ing system s [J ]. E nergy S ou rce, 2000, 22 23234. [6 ] Bekker B , Beukes H J. F inding an op tim al PV panel m axim um pow er po int track ing m ethod [C ] T he 7th A FR ICON Conf erence. 2004, 2 112521129. [7 ] 张 素 宁 , 田 胜 元 . 太 阳 辐 射 逐 时 模 型 的 建 立 [J ]. 太 阳 能 学 报 , 1997, 18 3 2732277. [8 ] 王 炳 忠 . 太 阳 辐 射 计 算 讲 座 [J ]. 太 阳 能 , 2000 2 16. 责 任 编 委 李 树 华 Im p roving the PV Efficiency by T rack ing So lar T im e A ngle at F ixed T im e FAN Guo2liang1, ZHAN G X iao2yan2 1. D ep a rtm en t of P hy sics, S chool of P hy sica l S cience and T echnology , Inner M ong olia U n iversity , H ohhot 010021, Ch ina; 2. D ep a rtm en t of P hy sics, Colleg e of S ciences, Inner M ong olia U n iversity of T echnology , H ohhot 010051, Ch ina Abstract T he p rincip le of imp roving pho tovo ltaic efficiency of so lar energy is analyzed by track ing so lar tim e angle, and a p rincip le diagram of tracing sun system at fixed tim e is given. T he system reduces pow er dissipation and co st, and imp roves the stab ility of tracing. T he circu it is con tro lled by M CU , and can be set up on ly once acco rding to geograph ical featu res of the p lace. T he system imp roves the pho tovo ltaic efficiency of so lar energy, and can be popu larized easily. Key words pho tovo ltaic pow er;M CU ; tim ing; tracing 911第 1 期 樊 国 梁 , 张 晓 燕 定 时 跟 踪 太 阳 时 角 提 高 光 伏 发 电 效 率