太阳能利用跟踪技术的研究进展

太 阳 能 利 用 跟踪 技术的 研究 进展许 启 明 ， 冯 俊 伟 * ， 宫 明 西 安 建 筑 科技 大 学 材 料 学院 ， 陕 西西 安 710055摘要 总结 了 近 年 来 国 内外 太 阳 能 跟踪 技 术的 发 展 情 况 ， 明 晰 了 太 阳 能 自 动 跟踪 系 统 的 内 涵 ， 给 出 了 太 阳 能 自 动 跟踪 系 统 的定 义 、 特征和分类 ， 评 述 了 各 类 跟踪 系 统 的 工 程 应 用 情 况 ， 分 析了 各 类 跟踪 系 统 的 优 缺 点 ， 并指 出 了 需 要 解 决 的 主 要 问 题 。 最 后 ， 展 望 了 未 来光 伏发 电 跟踪 技 术的 发 展 方 向 。关键词 太 阳 能 ; 光 伏 发 电 ; 热 发 电 ; 跟踪 技 术 ; 跟踪 系 统中图分类号 TK513． 4; TK514 ; TK515; TK519 文献标识码 A 文章编号 0517 － 6611 2011 10 － 06294 － 04Research Advance of Solar Energy Tracking TechnologyXU Qi- ming et al School of Material Scienceand Engineering， Xi ’ an University of Architecture and Technology， Xi’ an， Shaanxi710055Abstract By summarizingthe developmentstatus both at home and abroad， the connotation of solar energytracking technologywasclarified， itsdefinition， featuresand classification were presented， the application status of various tracking systemswasevaluated， and their advantagesand dis-advantageswere analyzed， the major problemswere pointed out ． Finally ， the developmentprospect of PV tracking technology wasforecasted ．Key words Solar energy; Photovoltaic powergeneration; Thermal power generation; Tracking technology; Tracking system基 金项 目 西 安 市创 新 支撑 项目 CX09021 。作者简介 许 启 明 1949 － ， 男 ， 陕西 汉 中 人 ， 教 授 ， 从事 太 阳 能 光 伏 发电 材料 与 技 术和 电 子 信 息 材料 与 器 件 研究 ， E- mail xuqim-ing723 163． com。 * 通讯作者 ， 硕士 研究 生 ， 研究方 向 电子 信 息 材料 ， E-mail fengjunwei1 － 23 163． com。收稿日期 2011- 01-10太阳 能 作 为一 种 可 持续 利 用 的 清 洁 能源 ， 是 理 想 的 可 再生 能源 。 由 于 太阳 能 量 密 度 低 ， 能 量接 收 连 续 性 差 ， 随 季 节 、昼 夜 、 气 候 条 件 的 变 化 而 变 化 ， 目前 的 应 用 主要 集 中 在 太阳能 热 水 器 和 太阳 暖 房 等 能 量 密 度 要 求 不 高 、 采 光 时 间 不 连续 、 用 户 分 散 的 领 域 。 大 力 发 展 太阳 能光 伏 发 电 和 热 发 电 是节 约 矿 石 能源 、 降 低 二 氧化 碳 排 放 、 确 保 能源 安 全 、 实 现 可 持续 发 展 的 有 效 途径 。目前 ， 制 约 太阳 能光 伏 发 电 的主要 因 素 是 光 电 转 换 成本高 、 发 电 量 波 动 大 以 及不 适 合 于 远 距 离 输 送 。 采 用 自 动 跟踪系 统可 延 长 太阳 能 发 电 时 间 ， 增加 发 电 量 ， 一 定 程度 上 降 低发 电 量 的 波 动 ， 降 低 太阳 能 发 电 成本 。 为了 促 进 自 动 跟 日 技术 研究 、 推 动 太阳 能 发 电 技 术 的 快速 发 展 ， 笔 者 系 统 综述 了近 年来 国内外 在 自 动 跟 日 技 术和 自 动 跟 日 系 统 领 域 的主要研究 成 果 、 技 术 特 征 和应 用 状 况 ， 明 确 提 出了 太阳 能自 动 跟踪 系 统 的 定义 ， 并 展望 了 未来 的发 展 前 景 和 发 展 方 向 。1 太 阳 能 跟踪 系统 的 常 见 类 型和特征1． 1 太 阳 能自 动 跟踪 系统 的 定 义 和特征 鉴 于目前文献 中对 太阳 能 跟踪 系 统 没 有 统 一的 定义 ， 且 概 念 不 清 ， 笔 者 在 总结 现 有 文献 的基础 上 ， 根据 太阳 能自 动 跟踪 系 统 基 本 功 能 ，给 出了 太阳 能自 动 跟踪 系 统 的 定义 如 下 太阳 能自 动 跟踪 系统 是 指 在 太阳 有 效 光照 时 间 内 ， 能 使 太阳 光 线 始 终 垂 直 照 射到光 线采集 器 太阳 能 集 热器或 光 电 池 的 采集 面 上 ， 使 光 线采集 器 在 有 效 光照 时 间 内 都 能 最 大 限 度地 获 取 太阳 能 的 装置 系 统 。 该 系 统 的 最 主要部分 通常 由 控 制 部 件 和 转 动 调 级部 件 组 成 。 控 制 部 件 的 作 用 是将 太阳 即 时 位 置 坐 标 参 数 直接 或 间接 输 出 给 转 动 调 级 部 件 。 转 动 调 级 部 件 的主要 作 用是将 控 制 部 件 给 出的 信 号 经过 调 级 处 理 或 分 解 后 用 于 驱 动光 线采集 器 的 采集 面 始 终 与 太阳 光 线 垂 直 。1． 2 太 阳 能自 动 跟踪 系统 的类 型 根据 控 制 部 件 中 控 制 信号 产 生的 方 式 ， 广义 上 可 将 跟踪 技 术 分为主动 式 、 被 动 式 和混 合 式 3 类 。 控 制 信 号 来 自 控 制 部 件 内 预 先 存 储 的当 地 经纬 度 和 太阳运 行的 轨 道 参 数去 控 制 跟踪 系 统 运 转 称 为主动式 跟踪 。 利 用 光 敏 传 感 器 接 收 的 太阳 光 信 号 控 制 跟踪 系 统运 转 称 为 被 动 式 跟踪 。 将 以 上 2 种 控 制 方 式 结 合 在 一 起 去控 制 跟踪 系 统 运 转 称 为 混 合 式 跟踪 。主动 式 跟踪 是 利 用 控 制 器 中 预 先 存 储 的 与 当 地 经 纬 度相关的 太阳运 动的 轨 迹 函 数 ， 由 实 时时 钟 来 获 得 精 确的时 间信 号 ， 从而 计 算 出不同时 刻 太阳 的 高 度 角 与 方 位 角 。 主动 跟踪 虽 能 提 高 太阳 能 利 用 率 ， 但结 构 复 杂 ， 成本 比 被 动 跟踪器要 高 。被 动 跟踪 系 统 主要 采 用 光强 控 制 法 ， 利 用 光 敏 元 件 和 传感 器 进行 信 号 跟踪 调 节 ， 被 动 地 跟 随 太阳 转 动 。 光 敏 传 感 器探 测 的 太阳 位 置 信 号 反 馈 到 电 子 控 制 系 统 ， 该 信 号 经过 电 子控 制 系 统处 理 后 输 送 给 传 动 调 级 部 件 。 被 动 跟踪 时 信 号 采集 都 是由 传 感 器 完 成 ， 在多 云 和 阴 天 环境 下 会出现 无 法 跟踪的 问题 。 此 外 ， 由 于 光 敏 传 感 器 处在 室 外 环境 中 ， 传 感 器 易受 灰 尘 、 热 斑 等 因 素 的 影响 ， 使 暗 电 流 发生 变 化 ， 从而 导致 所提 供 的 跟踪信 号 不 稳 定 。根据 转 动 调 级 部 件 中所 含 转 动 轴 的 个数 ， 通常 将 跟踪 技术 分为 单 轴 跟踪 和 双 轴 跟踪 。 单 轴 跟踪 是将 控 制 部 件 中 输出的 太阳 方 位 角 信 号 或 者 高 度 角 信 号 经 转 动 调 级 部 件 处 理后 去 控 制 光 线采集 器 的 方 位 角 或 高 度 角 。 通常 的 单 轴 跟踪都 是 控 制 方 位 角 ， 即 光 线采集 器跟踪太阳 由 东 向 西 旋 转 以 达到 跟踪 目 的 。 单 轴 跟踪 根据 转 轴 的 方 位 又 可 分为 东 西水 平跟踪 、 南 北 水 平 轴 跟踪 和 极 轴 跟踪 3 种 。 单 轴 跟踪 与双 轴 跟踪 相比 ， 结 构 简 单 ， 制 造 成本 底 ， 但 太阳 高 度 角 的 变 化需 要人工 调 整 。 双 轴 跟踪 通常 同时 控 制 方 位 角 和 高 度 角 ， 即 将 控 制部 件 中 输 出的 太阳 方 位 角 信 号 和 高 度 角 信 号 分别 经 转 动 调级 部 件 处 理 后 同时 控 制 光 线采集 器 既 跟踪太阳 由 东 向 西 旋转 ， 又 跟踪太阳 在 一 年 四 季 中 仰 角 的 变 化 。 按 旋 转 轴 向 的不同 ， 双 轴 跟踪 系 统 分为 水 平 轴 跟踪 系 统和 赤 道 轴 跟踪 系 统 2种 形 式 。 水 平 轴 跟踪 系 统 偏 转 重 力 小 ， 稳 定性 较 好 。 但因 随时 间 变 化 的 太阳 高 度 角 和方 位 角 是 非 线 性 的 ， 使 得 控 制 该 系统 角 度 旋 转 的 速 度 和 配 合较 复 杂 。 赤 道 轴 跟踪 系 统 由 于 赤纬 度 一 天 内的 变 化 量 很 小 ， 无 需 每 天 都 调 整 ， 所 以该 跟踪 方责任 编 辑 乔 利利 责任校 对 马君叶安徽农业科学 ， Journal of Anhui Agri ． Sci ． 2011， 39 10 6294 － 6297式 是 双 轴 跟踪 最常 使 用 的一 种 。 将 以 上 2 种 分类 组 合 后 ， 太阳 能 跟踪 技 术可 分为主动 式 单 轴 跟踪 、 主动 式 双 轴 跟踪 、 被动 式 单 轴 跟踪 、 被 动 式 双 轴 跟踪 、 混 合 式 单 轴 跟踪 和 混 合 式双 轴 跟踪 。2 太 阳 能 跟踪 技术的 发 展现状2． 1 主 动 跟踪 系统 目前 世 界上 通 用 的 太阳 主动 跟踪 控 制系 统都 需 要 根据 安 放 点 的 经 纬 度 等 信 息计 算 一 年 中的 每 一天 的不同时 刻 太阳 所 在 的 角 度 ， 并 将其 存 储 到 PLC、 单片 机或 电 脑 软 件 中 ， 也 就 是 靠 计 算 太阳 位 置 以 实 现 跟踪 。 主动 跟踪 采 用 的 控 制 方法也 称 为时 空 控 制 法 。 基 于 PC 机 的 太阳 位置 式 跟踪 方法 ， 其 成本 相对 于 其 他 几 种 实 现 方 式 较为 昂 贵 ，但 是由 于 PC 机 具 有强大 的 数据存 储 及 计 算 能 力 ， 可 用 来 完成 较为 复 杂 的 运 算 ， 所 以在 对 计 算 精 度 要 求 较 高 的 场 合 ， 一般 采 用 它 来 进行 控 制 ， 如 天 文 台 和 气 象 台 对 太阳 的 观 测 。 在大 规模 的 太阳 光 伏 电 站中 ， 也可 使 用 PC 机 对 太阳 光 伏 阵 列实 现 集 中 控 制 、 控 制 精 度 高 、 平 均 成本 低 的 效 果 。 相对 而 言 ，单片 机 系 统 具 有 较 高 的 性 价比 ， 因此目前 使 用 最 为普 遍 。王 斯 成 等 ［ 1］ 设 计 的主动 双 轴 跟 日 系 统 由 单片 机 进行 系统 控 制 。 单片 机设 定 开始 跟踪 时 间和 停 止 跟踪 时 间 ， 天 亮 时CPU 给 出 信 号 使 电 池 板 转 到 跟踪 起始 位 置 。 当 到达 开始 时间 时 ， 根据 跟踪 精 度 给 出 电机 启 动 信 号 ， 电机 开始 转 动 ， 编 码器 将 旋 转 的 角 度 信 息 反 馈 给 CPU， CPU 检 测 到达 旋 转 角 度 即给 出 电机 停 转 信 号 ; 当 到达 停 止 跟踪 时 间 时 ， CPU 给 出 电机反 转 信 号 ， 控 制 太阳 能 电 池 板 转 成 摆 平 状 态 ， 等 待第 2 天 太阳 升 起 时 再 开始 新 一 天 的 跟踪 。 在 遇 到 维 修 等特 殊 情 况 需要人为 使 太阳 能 电 池 板 处于 特 定 位 置 时 ， 系 统 设 有 手 动 开 关按 钮 。 电机 耗 电 占 发 电 量 的 0． 3 ， 跟踪 精 度 ≤ 2 ， 能 提 高 发电 量 的 40 。张 晓 霞 等 ［ 2］ 设 计 的 蝶 式聚 光 主动 式 双 轴 跟踪器 ， 该 控 制系 统 采 用 AT89C51 单片 机 作 为 控 制 芯 片 ， 系 统 的基 本原理 是通过 程 序 计 算 出 聚 光 器 所 处 地 理 位 置 某 时 刻 太阳 的 高 度 角和方 位 角 ， 从而 计 算 出 聚 光 器 需 要 转 动的 角 度 ， 然 后 控 制 高度 角 和方 位 角 的 步 进 电机 ， 驱 动 聚 光 器 转 动相 应 的 角 度 来 跟踪太阳 ， 控 制 精 度 为 0． 1 。对 m n 阵 列 式聚 光 镜 来 说 ， 采 用 仰 角 － 方 位 角 跟踪 需2 m n 个 转 轴 ， 这 使 跟踪器 的 结 构 变 得 异 常 复 杂 。 为了 解 决这 一 难 题 ， 陈 应 天 发 明 了 自 旋 － 方 位 角 跟踪 ［ 3 － 4］ 。 在 陈 应 天的 跟踪 聚 光系 统 中 ， 对 每 一 片 子 镜 来 说 ， 仍 然 是 2 个 转 轴 ， 但对 m n 阵 列 式聚 光 镜 来 说 共 有 m n 个 转 轴 。 很 明 显 ， 他使 转 轴 的 数量 大大 减 少 ， 从而 使 结 构 简 单 ， 成本 降 低 。Abdallah 等 ［ 5］ 开 发了一 种 PLC 控 制 主动 式 单 轴 跟踪 系统 。 与 传 统 的主动 单 轴 跟踪 相比 ， 考 虑 了 方 位 角 的 非 线 性 影响 ， 将 白 天 分为 4 个 时 间 段 进行 控 制 。 根据 试验 得 出 跟踪 式获 得 能 量 比 固 定 倾斜 式高 出 22 。在 Abdallah 等 ［ 6］ 设 计 的主动 式 单 轴 跟踪 基础 上 ， 他 们 还设 计 了一 种 主动 式 双 轴 跟踪 系 统 。 驱 动 马 达 和 控 制 系 统消耗 的 能 量 不会 超过 跟踪 系 统 储 存 能 量 的 3 。 试验 数据 证明 ， 与 固 定 式 相比其发 电 量多 出 41． 34 。主动 跟踪 时 跟踪 精 度 的主要 控 制 难 点 是 ① 太阳 角 度 计算 ; ② 时 钟 和 真 实 太阳 时 间 一 致 性 ; ③ 地 理 位 置 的 经 度 和 纬度 确 定 ; ④ 机 械 校 对 地 理 真 北 。 地 球 的 磁 场 两 极 与地 理 上 的南 北 两 极 不 重 合 ， 因此 指 南 针 指 示 的 北 为 磁 北 而 非 真 北 ， 磁北 会 随着 时 间 而 变 化 。 这 些 因 素 都 会对 跟踪 产 生 很 大影响 ，采 用 GPS 全 球 定 位 系 统 可 有 效 减 小 跟踪 地 理 因 素 的 影响 ，提 高 跟踪 精 度 。2． 2 被 动 跟踪 系统 太阳 能被 动 跟踪 系 统 主要 采 用 光强 控制 法 ， 利 用 光 敏 元 件 和 传 感 器 进行 信 号 跟踪 调 节 ， 被 动 地 跟随 太阳 转 动 。 郭 忠 文 ［ 7］ 设 计 的 被 动 双 轴 式 跟踪器 由 2 台 电动 机 与 减 速 机 分别 构成 方 位 角 转 动 机 构 和 高 度 角 转 动 机 构 ，光 电 传 感 器 内 置 放 大 ， 与 太阳 电 池 板 方 阵 平 面 垂 直 安 装 。 通过 信 号 调 节 使 光 线 垂 直 照 射 。 随着 太阳 的 运 转 ， 方 位 角 每 2min 左右 自 动 跟踪 一 次 ， 按 照 太阳 1 h 运 行 15． 0 时 角 计 算 ，跟踪 精 度 约 0． 5 ， 高 度 角 跟踪 精 度 控 制 在 1． 0 以 内 。 采 用 自动 跟踪 系 统可提 高 发 电 量 40 ， 系 统 耗 电 占 发 电 量 的 1 。刘 振 起 ［ 8］ 设 计 的 被 动 式 双 轴 跟踪器 ， 其 高 度 角 和方 位 角的 跟踪 分别 用 到 2 个 光 电 二 极 管 进行 信 号 调 节 。 当 太阳 光偏 离 垂 直 方 向 时 ， 2 个 光 电 二 极 管 接 收 的 照度 都 会出现差 值 ，产 生偏 离 信 号 。 该 信 号 经 放 大 后 送 入 控 制 单 元 进行 调 整 达到 跟踪 目 的 ， 跟踪 精 度 为 0． 35 。Lynch 等 ［ 9］ 设 计 了一 种 被 动 双 轴 跟踪器 ， 该 跟踪器 应 用了 2 个 光 电 传 感 器 。 一 个 传 感 器 安 装 在 跟踪 面 上 ; 另 一 个 传感 器 固 定在 朝 南 的 方 向 。 跟踪 控 制 的 精 度 为 0． 1 。Kalogirou［ 10］ 设 计 了 被 动 单 轴 式 跟踪 系 统 ， 太阳 位 置 状 况通过 3 个 光 敏 电 阻 探 测 。 其中 ， 第 1 个 光 敏 电 阻 探 测 光 线 是否 垂 直 入 射 ; 第 2 个 光 敏 电 阻 检 测 天 空 的 云 量 ; 第 3 个 探 测是 白 天 还 是 黑 夜 。 探 测 结 果的 信 号 反 馈 到 电 子 控 制 系 统 ， 控制 系 统 控 制 一 个 12 V 低 速 直 流 马 达 ， 该 马 达 通过 减 速 箱 转动 调 整跟踪器 。 跟踪 系 统 的 精 确 程度 取 决于 太阳 辐 射 度 ， 辐射 强度 为 100 W /m 2 时 ， 跟踪 精 度 为 0． 20 ; 当 辐 射 强度达到600 W /m 2 时 ， 跟踪 精 度 可 达 0． 05 。Khalifa 等 ［ 11］ 设 计 了一 种 被 动 式 双 轴 跟踪 系 统 ， 该 系 统采 用 抛 物 面 聚 焦 跟踪 。 跟踪 控 制 方法 就 是 典 型 的 光强 比较法 。 测试 结 果 显 示 ， 抛 物 面 式 跟踪 比 固 定 式 可多 获 得 75 的能 量 。 抛 物 面型 跟踪 获 得 的 能 量 是 最 高 ， 且 跟踪 同时 还 聚光 ， 其 效 率 明 显 大 于 平 板 式 跟踪 。 但 是 双 轴 的 设 计 使 得 跟踪机 构 较 复 杂 ， 调 整 和 维 护 费 用 比 单 轴 式 要 高 。被 动 跟踪 时 信 号 采集 都 是由 光 敏 传 感 器 完 成 ， 由 于在 室外 环境 中 传 感 器 易 受 灰 尘 、 热 斑 等 因 素 的 影响 ， 使 暗 电 流 发生 变 化 ， 从而 导致 所 提 供 的 跟踪信 号 不 稳 定 。 在多 云 和 阴 天环境 下 会出现 无 法 跟踪 的 问题 。 选用 精 度 高 的 传 感 器 ， 又 会增加 跟踪 成本 。2． 3 混 合 式 跟踪 系统 混 合 式 跟踪 是 结 合了主动 跟踪 方 式和 被 动 跟踪 方 式 的一 种 跟踪 方 式 。 混 合 式 跟踪 最常见 的是传 感 器 和 微 处 理 器 相 结 合的 跟踪 。 微 处 理 的 自 动 控 制 单 元主要 以 微 处 理 器 为 核 心 ， 微 处 理 通过 角 度 计 算 及 反 馈 控 制 部分 计 算 出 太阳 时时所 处 的 角 度值与 电 池 板 实 际 所 处 的 位 置 ，对 太阳 进行 跟踪 。吕 文 华 等 ［ 12］ 设 计 了一 种 混 合 式 跟踪器 ， 传 感 器跟踪 方式 是 通过 光 电 转 换 器 实 时 采 样 ， 计 算 机 分 析 比较 太阳 光强 的变 化 ， 从而 驱 动 机 械 机 构 实 现 太阳跟踪 。 太阳运 行 轨 迹跟踪592639 卷 10 期 许 启 明 等 太 阳 能 利 用 跟踪 技 术的研究进 展方 式 是 根据 当 地 的 地 理 位 置 和 时 间来 确 定 太阳 的 位 置 ， 进行太阳跟踪 。 其 控 制 特 点 是 根据 太阳 光照强度 变 化情 况 使 主动 与被 动 控 制交 替 使 用 ， 即 阴 天 时 ， 太阳 辐 照度 较 弱 ， 系 统 自行 切 换 到 太阳运 行 轨 迹跟踪 方 式 ; 晴 天 时 ， 太阳 辐 照度 较 强 ，光 电 转 换 器 能 很 好 地响 应 光 线 的 变 化 ， 系 统 会 自 行 切 换 到 传感 器跟踪 方 式 ， 以 便 实 现 更 高 精 度 的 太阳跟踪 。 GPS在该 系统 中的 应 用 保 证 了 系 统定 位 和 授 时的 高 准 确 性和 高 可 靠 性 ，提 高 了 系 统 的 通 用 性 ， 使 该 系 统可以 全 天候 地 在 任 何 地 点 可靠 工 作 ， 而 不 需 要人 工 的 干 预 ， 跟踪 误 差 在 0． 14 。 另 外 ， 该模 块 还 完 成 日 出时 间和 日 落 时 间 的 计 算 。王 尚 文 等 ［ 13］ 设 计 了一 种 混 合 双 轴 太阳 自 动 跟踪 装 置 ，是一 种 耦 合 程 序 跟踪 和 传 感 器跟踪 的 混 合 跟踪 系 统 ， 即 第 1级 用 程 序 控 制 跟踪 ， 第 2 级采 用传 感 器跟踪校 正 。 由 视 日 运动 轨 迹跟踪 控 制软 件 计 算 出 太阳运 行 轨 迹 ， 进 而 实 现 实 时 跟踪 。 传 感 器跟踪 起 校 验 功 能 ， 检 查 传 感 器 检 测 电 路 是 否 有 偏差 信 号 输 出 ， 若 有 偏差 信 号 输 出 ， 作 出相 应 调 节 、 校 正 ; 没 有信 号 输 出 ， 等 待 下 一 个 调 节 周 期 。伍 春 生等 ［ 14］ 设 计 的 混 合 跟踪 系 统 ， 其 微 处 理 系 统通过光 敏 传 感 器 输 入 的 信 号 判 断 当 前 是 处于 夜 晚 还 是 阴 天 ， 以 确定 电 池 板 的 最 佳 停 放 位 置 ; 当 光强达到 条 件后 ， 角 度 计 算 及反 馈 控 制 部分分别 计 算 出 太阳 此 时所 处 的 角 度值 和 电 池 板实 际 所 处 的 位 置 ， 并 由 微 处 理 器 将 二 者的差 值 转 换 为 电机 的驱 动 信 号 ; 电机 驱 动 信 号 生 成 部分 根据 发 送 的 驱 动 指 令 ， 通过 减 速 传 动 结 构 带 动 太阳 能 电 池 阵 列 转 动进行 自 动 跟踪 。双 轴 系 统 能 提 高 30 以 上 ， 整 个 控 制 系 统 的 平 均 功 耗 在 2 ～3 W， 低 于 整 个 发 电 系 统 的 0． 1 。Roth 等 ［ 15］ 设 计 了一 种 混 合 式 双 轴 跟踪 系 统 ， 其 跟踪 控制 核 心 是 16F877 系 列 中 心 处 理 器 ， 外部 连 接 电 脑 。 中 心 处理 器 计 算 太阳 的时时 位 置 ， 对 高 度 角 和方 位 角 进行 跟踪 。 电脑 界 面 可观 测 到 跟踪 效 果 ， 跟踪 程 序 修 改 可在 电 脑 上直 接 操作 。 位 置 传 感 器 检 测 2 个 跟踪 轴 转 动 ; 太阳 位 置 传 感 器 探 测太阳 位 置 ; 光强 传 感 器 是 检 测 光强 ， 确 定 开始 跟踪 和结 束 跟踪 位 置 。 30 d 运 行 下来 ， 跟踪 效 果 良 好 。Rubio 等 ［ 16］ 设 计 了一 种 混 合 跟踪 系 统 ， 主动 跟踪 是 通过电 脑 计 算高 度 角 和方 位 角 进行 跟踪 ， 同时 传 感 器 进行 跟踪 反馈 。 由 于 充 分 考 虑 到能 耗 问题 ， 因此 设 计 跟踪 时 采 用 2 种模式 在 光强 充 足 条 件 下 一 般 混 合 式 跟踪 ; 在多 云 天 气 下 光强很弱 ， 电机 停 止 跟踪 ， 直 到光强达到 门 槛 值 时 传 感 器 发出 信号 继 续 开始 跟踪 ， 该 设 计 能有 效 减 少 电机 的 能 耗 。 通过 对比试验 得 出 ， 采 用 混 合 式 跟踪 比 单 一的主动 跟踪 可多 获 得 55电 能 。Bakos［ 17］ 设 计 了一 种 双 轴轴 跟踪 系 统 ， 该 系 统 与 Rubio等 设 计 的 混 合 跟踪 系 统 相 似 。 Bakos 课 题 组 分别 在 晴 天 和多云 2 种 条 件 下 对其 产品 进行了 测试 ， 在 天 气 晴 朗 无 云 的 条 件下 测试 出 跟 踪 效 果 良 好 ， 双 轴 式 比 固 定 倾 斜 式 多 发 电46． 46 ; 在多 云 天 气 下 进行对比 性 测试 ， 只 有 传 感 器跟踪时 ， 双 轴 发 电 量 与 固 定 式 相比 无 明 显 增 大 ， 而 传 感 器 和 电 脑控 制 混 合 跟踪 时 ， 发 电 量 明 显 增 大 。 可见 ， 阴 天采 用 混 合 跟踪 可 有 效 改 善 发 电 效 率 。2． 4 单 双 轴 跟踪 系统 发电 量比 较 对 光 伏 发 电 来 说 ， 太阳能 跟踪 系 统 的 应 用 目 的是 通过 增加 发 电 量来 降 低 设 备 每 千瓦 总 成本 和提 高 对 电 网 的 稳 定性 。 表 1 给 出了相关 单 、 双 轴跟踪 与 对 应 不 增加 跟踪 时的 倾斜 固 定 式 发 电 量 比较 。 由 表 1可 知 ， 跟踪 式 发 电 可 有 效 提 高 发 电 效 率 ; 单 轴 跟踪 可提 高 发电 量 20 ～ 30 /d ; 双 轴 跟 踪 可 提 高 发 电 量 30 ～40 /d 。 双 轴 跟踪 效 率 比 单 轴 跟踪 效 率 高 。 实 际 上 ， 双 轴跟踪 系 统 比 单 轴 复 杂 得 多 ， 其 成本 和 能 耗 也 高 。 双 轴 跟踪 系统 的 性 价比 明 显 低 于 单 轴 跟踪 系 统 ， 所 以在 自 动 化 要 求 不 太高 的 应 用 环境 中 采 用 单 轴 跟踪 较合 适 。表 1 跟踪 式 发电 量与 固 定 式 发电 比 较Table 1 Comparsion between the generated energy of tracking systemand stationary system跟踪 方 式Trackingmode测试 方法Test methods能 量 增 幅Increase rateof energy参 考 文献Reference单 轴 Single axle 实 测 20． 00 ［ 1］单 轴 Single axle 实 测 20． 00 /d ［ 14］单 轴 Single axle 实 测 18． 20 /a ［ 18］单 轴 Single axle 实 测 33． 10 /d ［ 19］单 轴 Single axle 电 脑 模 拟 10 ～ 20 /季 度 ［ 21］单 轴 Single axle 实 测 20． 00 /a ［ 22］单 轴 Single axle 实 测 30 ～ 45 ［ 23］双 轴 Dual axis 实 测 40． 00 ［ 1］双 轴 Dual axis 实 测 30． 00 /d ［ 14］双 轴 Dual axis 实 测 40． 00 ［ 10］双 轴 Dual axis 实 测 23． 90 /a ［ 18］双 轴 Dual axis 实 测 25． 30 /a ［ 16］双 轴 Dual axis 实 测 33． 90 /d ［ 19］双 轴 Dual axis 理 论计 算 39． 70 ［ 20］双 轴 Dual axis 实 测 41． 34 /a ［ 5］双 轴 Dual axis 实 测 46． 46 ［ 17］双 轴 Dual axis 实 测 43． 87 /a ［ 24］3 跟踪 系统 的 广 泛 应 用通过 对 光 伏 组 件 平 面 辐 照 量和 电 学特 性 的 模 拟 计 算 ， 在珠 海地区 采 用 单 、 双 轴 跟踪 和 固 定 倾 角 朝 南 22 布 置 ， 发现 光 伏 系 统在 不同 负 载 下 其 跟踪 方 式产 出 电 能 相比 并 网 系统 有 较 大 提 高 双 轴 和 单 轴 跟 踪 分 别 增 加 了 23． 9 和18． 2 ［ 14］ 。 将 混 合 式 跟踪 应 用 在 天 威 集 团 有 限 公 司 40 kW光 伏 并 网 示范 工程 中 ， 通过 试验测试 发现相同 条 件 下 采 用 自动 式 的发 电设 备 效 率 比 固 定 式 要 高 ， 在 晴 朗 的 天 气 条 件 下 太阳 能 跟踪 系 统 比 固 定 式 至 少 要 提 高 25 。 西 班 牙 于 2006 年在 北 部的 纳 瓦 拉 安 装 了由 400 个 太阳 能 跟踪 系 统 组 成 的 “ 聚光 太阳 能 花 园 ” ， 该 系 统 的 能源 输 出比 传 统 平 板 光 伏 系 统 增加 了 35 。 马 德 里 Polytechnical 研究 组 研究 开 发了一 种新型 RXI 聚 光型光 伏 系 统 ［ 25］ ， 据 说 应 用 该 系 统 的发 电 成本 只有 0． 104 欧 元 / kW h ， 将 来 建 造 1 000 MW 系 统 其发 电 成本 可 望 降 到 0． 033 欧 元 / kW h 。 国外 有 很 多 大型光 伏 发电 站是 采 用 跟踪 但 不 聚 光 的 方 式 来提 高 发 电 量 的 。4 结语太阳 能 跟踪 系 统在应 用 中主要 考 虑 以下因 素 跟踪 精度 、 系 统 成本 、 耗 电 量和 后 期 维 护 费 用 。 评价一 个 跟踪 系 统 ，应 从 以 上 几 个方 面 综 合 考 虑 。 单 轴 跟踪 系 统 能 够得 到 比 固定 安 装 系 统 更 高 的 太阳 辐 射 利 用 率 ， 系 统 成本 、 耗 电 量都 很6926 安徽 农 业科学 2011 年低 ， 后 期 维 护方 便 ; 双 轴 跟踪 系 统 能 够 最 大 效 率 地 利 用 太阳辐 射 能 量 ， 自 动 化程度 高 ， 但 其 控 制 复 杂 ， 成本高 ， 耗 电 量 大 ，系 统 维 护 费 用高 。 主动 跟踪 的 优 点 是 在 全 天候 情 况 下都 能正 常 工 作 ， 其 缺 点 是 存在 累积 误 差 ， 一 般 不 能自 身 消除 ; 被 动跟踪 的 优 点 是 自 身 能 够 通过 反 馈 来消除误 差 ， 但在 云 层 较 多的 天 气 情 况 下 工 作 不 稳 定 ， 其 跟踪 精 度依 赖 于 光 敏 传 感 器 的精 度 ; 而 混 合 控 制 则 结 合了 二 者的 优 点 并 克 服 了 二 者的 缺点 ， 在 一 般 无 云 情 况 下 使 用 被 动 传 感 器跟踪 ， 但 当 云 挡 住 太阳 时 立 即 改变 为主动 跟踪 ， 主动 和 被 动 交 替控 制 的 混 合 控 制系 统 能 够得 到 最 佳 控 制 效 果 ， 但 系 统 成本高 。对 于 光 伏 发 电 来 说 ， 采 用 跟踪 系 统可 增加 发 电 量 20 ～40 ， 有 利 于 降 低 发 电 系 统 成本 、 降 低 电 网 波 动 。 但 现 有报道 很 少 涉 及由 跟踪 系 统 而 附 加 的 电 力 消 耗 。 由 于 光 线采集器 的 应 用 目 的 和 环境 不同 ， 对 跟踪器 的要 求 也 不同 ， 所 以 对跟踪器 的 选用 不 能 一 概 而 论 。 家 用 太阳 能 取 热 热 水 器 、 取暖 、 家 用 光 伏 发 电 通常 为 单 台 或 几 台 设 备 ， 可 选用 单 轴 跟踪以 降 低 成本 ， 仰 角 调 整 可 每 隔 5 ～ 10 d 人 工 调 整 一 次 。 对 于聚 光型光 线采集 系 统 仰 角 的 调 整 周 期 通常 要 短 一 些 。 对 于大型 的 太阳 能 热 发 电 或 光 伏 发 电 而 言 ， 如果对 自 动 化程度 要求 较 高 ， 通常 选用 双 轴 混 合 式 跟踪 。 其 他应 用 均 介 于 二 者 之间 。 由 于应 用 的 多 样 性 ， 开 发 成本 相对较 低 、 耗 能 相对较 少的 各 种 类 型 的 跟踪器 是 今 后 发 展 的 方 向 。主动 式 跟踪 依 赖 于数据存 储 技 术和 单片 机 技 术 的发 展以 及 器 件 成本 的 降 低 ， 被 动 式 跟踪 依 赖 于 光 敏 传 感 器 精 度 的提 高 和 制 造 成本 的 降 低 ， 转 动 调 级 部 件 依 赖 于 新 组 合 思路 和新 技 术 的 引 入 ， 作 为 太阳 能 跟踪 技 术 的研究人员 应经常 关 注以 上 相关 领 域 的发 展 动态 ， 及时 汲 取新 科技发 展成 果 ， 并 将它 们 应 用 到 太阳 能 跟踪 技 术 中 ， 为 太阳 能 的 开 发 和应 用 作 出贡 献 。 随着 未来 科学技 术 的进 步 ， 全自 动 化 、 高 精 度 聚 光 式双 轴 主动 跟踪 系 统 将会 成 为研究 热 点 。参考文献［ 1］ 王 斯 成 ， 陈 子 平 ， 何 增 先 ， 等 ． 光 伏 发 电 自 动 向 日 跟 踪 系 统 的 开 发 ［ C］ / /杨 德 仁 ． 迎接 光 伏 发 电 新 时 代 第 十 届 中国 太 阳 能光 伏 会 议 论 文集 ． 杭 州 浙 江大 学出版社 ， 2008 770－ 773．［ 2］ 张 晓 霞 ， 殷 盼盼 ， 张 国 ， 等 ． 蝶 式 聚 光光 伏 发 电 自 动 跟 踪 太 阳 装置 的 设计 ［ J］ ． 太 阳 能 ， 2008 9 32 － 34．［ 3］ 刘 祖 平 ． 一种 跟 踪 和 聚 光 的 全 新理 论 ［ J］ ． 中国科学技术 大 学学报 ，2006， 36 12 1245－ 1256．［ 4］ 何 祚 庥 ， 陈 立 泉 ． 人 类 即将 迎接 太 阳 能 时 代 ［ J］ ． 中国科学 院院 刊 ， 2005，20 4 271－ 274．［ 5］ ABDALLAH S， NIJMEH S． Twoaxes sun tracking systemwith PLC control［ J］ ． Energy Conversionand Management