太阳能跟踪系统设计08

新 能 源 专 题年第 期太 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 限公司技术中 心，河北 保定 071056 ）摘要 为了 更充分、 高效地利用 太阳能 , 现普遍 采用跟踪太 阳的方式是 为最大限度 地获得输出功 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 。在此基 础上设计 了一种跟 踪精度高 、结构简 单、控制 可靠的 双轴太阳 能跟踪系 统，有 效地提高 了太阳能 的利用率 。并通过 试验验证了此 太阳能跟踪系 统在晴朗的气 候条件下，比 固定式至少提 高发电量 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Design of Solar Tr acking SystemWang Miao Wang Bao li Jiao Cuiping Jing Chon gyou（ R&D Center,Baoding Tianwei Group Co.,Ltd., Baoding, Hebei 071056 ）Ab str act In order to more fully and efficient u se of solar energy, is commonly used to track thesun s trajectory to maximize output power. This article d escribes the solar tracking sy stem control theory,the system hardware components and control algorith ms. On this basis the design of a tracking and highprecision, simple structure, reliable control of dual-axis solar tracking system, which improves theutilization o f solar energy. And through tests of this solar tracking sy stem in the sunny weatherconditions, than fixed at least 25 percen t capacities.Key wor ds： solar tracking system ； time and space control ； lig ht intensity control ； solar trackingsensor ； sun trajectory calculation1 引言随着 现代工业 的发展 ，全球能 源危机和 大气污染问题日 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 一个太阳能资源 较为丰 富的国家 ，且分布 范围较广 ，因此充分利用太 阳能资源，有 着深远的能 源战略意义。由太 阳能电池 板的特 性可知， 它的发电 量与照射到它上 面的光 照强度成 正比，而 接受太阳 的直射光，可以 得到太 阳的最大 光照强度 。试验证 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％ [1 ]。由 于太阳的位 置每时每刻都在变 化，若想 在太阳能 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 ，才能保 证太阳光 始终垂直 照射到太 阳能电池板上 。为实现 太阳光始 终垂直照 射到太阳 能电池板上这 一目的， 就需要用 太阳光自 动跟踪控 制系统来 完成。2 太阳能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 以及时空控 制方法。（ 1）匀速 控制方法由于地球 的自转速 度是固定的 ，可以认 为，早上 太阳从东方 升起经正南 方向向西 运动并落山 ，太阳 在方位角上 以 15° / h 匀速运动， 24h 移动一 周。高 度角等于当 地纬度作为 一个极轴 不变。其跟 踪过程 是将固定在 极轴上的太 阳能电池 板以地球自 转角速 度 15 ° /h 的速 度转动 ，即 可达到 跟踪太 阳，保 持太 阳能电池板 平面与太阳 光线垂直 的目的。该 方法控 制简单，但 安装调整困 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）光强 控制方法。在高度角 和方位角 跟踪时分别 利用两只 光敏电池 作为太阳位 置的敏感元 件。只 光敏电池安装 在一2009 81004新 能 源 专 题年第 期个透光的玻 璃试管中。如图 1所 示， 每对 光敏电池被中间隔 板隔开， 对称地放 在隔板两 侧。当电 池板对准太阳 时，太阳 光平行于 隔板，两 只光敏电 池的感光量相等，输出电 压相同 [2 ]。当太阳光略 有偏移时，隔板的阴 影落在 其中一只 光敏电池 上，使两 只光敏电池的感 光量不 等，输出 电压也不 相等。根 据输出电压的变 化来进 行太阳能 跟踪控制 。该方法 的特点是测量精 度高、 电路简单 、易于实 现，但在 多云和阴天环境下 会出现无法跟 踪的问题。图 1 光强控 制方式示意图（ 3） 时空控制方法太阳 的运行轨 迹是与 时间、季 节、当地 经纬度等诸多复 杂因素 有关的。 因此，可 以将上述 相关的数据预先 输入到 微处理器 中通过程 序查表并 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。 该方法精度高， 具有较 好的适应 性，但程 序复杂， 不易于实现 [3 ]。3 系统组成及工作原理3.1 系统组成太阳 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、 电机驱动 单元和保护 电路组成。它不仅 控制太阳 能光伏阵 列跟随太 阳运动， 还具有在大风 、阴天、 夜间光源 干扰等气 候条件下 的保护功能。 同时具备 与上位机 通信的功 能，便于 设备的远程管理。 如图 2 所示。PLC主控制 器太阳光跟踪传感器风速传感器光照度传感器 保护电 路电机驱动单元图 2 系统 组成示意图（ 1） 太阳光跟踪传 感器太阳光跟 踪传感器 （以下简称 ：跟踪传感 器）是 检测光伏阵 列是否对准 太阳的基 准。当太阳 光垂直 照射到跟踪 传感器上时 ，跟踪传 感器四个方 位的输 出信号全部 为零，表示 跟踪传感 器已对准太 阳。当 太阳光偏离 垂直照射跟 踪传感器 时，跟踪传 感器能 检测出当前 太阳偏离跟 踪传感器 的方位，同 时在跟 踪传感器相 应方位的输 出端，会 有信号输出 。如图 3 所示。图 3 太阳光跟 踪传感器示意 图（ 2）风速 传感器通过风速 传感器对 风速进行检 测，传感 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 于定值时， 控制部分 发出指令， 通过接 口电路驱动 执行机构， 调整光伏 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 度传感器通过光强 传感器对 太阳光强进 行检测，使 系统可 以在不同的 天气变化和 季节变化 的情况下， 采用不 同的控制策 略进行自动 跟踪，提 高太阳能的 利用效 率。当系统 采集的实时 环境光强 和实时时间 都小于 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 待光强达到设 定值时再次 运行。（ 4） CPU 控 制单元CPU 控制单 元是整个控 制系统的核 心，控制策略 问题至关重 要。跟踪特 性采用光 线控制为主 ，时空 控制为辅的 控制策略， 这种控制 策略可以降 低系统 的自身功耗 。充分考虑 到系统在 运行过程中 ，会遇 到的各种外 界因素的影 响（如： 大风、夜间 光线干 扰、 阴 雨、 多 云气候等） ，这些影 响在程序中 进行甄 别，选择优 化的控制方 式，从而 保证系统的 跟踪精 度， 提高系 统的可靠性 和稳定性。同时 CPU 控制单 元还担负着与 上位机通信的 功能。（ 5）电机 驱动单元在控制单 元发出跟 踪信号后， 通过电机 驱动单元 驱动不同类 型的电机（如：交流电机 、 直流 电机、步 进电机等） 使其转动， 使电池板 阵列重新垂 直于2009 8 101新 能 源 专 题年第 期太阳光。（ 6） 保护电路由 于 光 伏阵 列 跟 踪 支 架 的方 位 角 旋 转 角度 为± 110 ° ，高度角旋 转角度为 10° ～ 80° 。 为 了保证跟踪支架的安全 ， 在方 位角和高度 角的 4 个极 限位置上，要设计保护 电路。3.2 工作原理系统 第一次开 机后先 进行时间 校正，通 过手动调整当前 正确时 刻，并存 储在时钟 芯片中， 作为基准时间。在晴 天光线正 常时， 程序通过 跟踪传感 器判断太阳光与 光伏电 池阵列平 面是否垂 直，如果 垂直控制单元不 发出控 制信号， 不驱动电 机转动， 保持当前电池板 的偏转 角度；若 不垂直则 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，以消除角 度偏差 ，重新使 太阳光与 电池板垂 直，这样周而复始 的工作，实现 实时跟踪的目 的。在阴 天或多云 光线不正 常时， 程序通过 当前时间、 季节 、 当地经 纬度计算太 阳的方位角 和高度角，并通过位 置传感 器判定电 池板阵列 的当前位 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，使电 池板跟随 太阳的运 行轨迹转动，达到 跟踪太阳的目 的。为了 节电，当 程序检测 出光强 达到一定 值时系统才开始 跟踪， 低于某值 时即停止 跟踪，降 低电机频繁工作 造成的 损耗。而 在夜间则 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 其实就 是计算在 地球某一 点上观看空中的太 阳相对地球 的位置。这时， 太阳相对地球的位置是 相对地面而 言的， 用高度角和 方位角两个坐标表示 。4.1 太阳高度角指从 太阳中心 直射到 当地的光 线与当地 水平面的夹 角 （ 或 观测 点 到 太阳 的 连 线 与地 面 之 间的 夹角） ，其值 在 0° 到 90° 之间变化， 日出日落时为 零，太阳在正天 顶上为 90° 。正午 时（指当 地真太 阳时的正 午。不是 北京时间的中午 12 点，也不是地 方平时的 12 点 ，而是太阳中心正 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 是一天中 太阳高度角的最 大值（ 除极地部 分地区外 ），夏季 这个值较大，冬 季较小 ，夏至时 最大，冬 至时最小 。太阳高 度角（ h⊙ ） 的计算公式为 [4] ：sin h⊙ =sin φ sin δ ＋ cos φ cos δ cosω （ 1）式 中，φ 为地理 纬度；δ 为 太阳赤纬；ω为时角 。ω （ 时角） ：以当地真太 阳时正午为 零度，下午为 正，上午为负 ，每小时 15° 。正午时刻（ ω =0 ）太阳高度角 的表达式：h⊙ ＝ 90° -φ + δ （ 太阳在天顶以 南）h⊙ ＝ 90° + φ -δ （ 太阳在天顶以 北）当计算出 h⊙ ＞ 90° 时，则取其 补角。4.2 太阳方位角指太阳光 线在地平 面上的投影 与当地子 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 的阴影与正 南方的夹角 。 方位角 以正南方向 为零，由 南向东向北 为负，由南 向西向北 为正，如太 阳在正 东方， 方位 角为 -90 ° ， 在正东 北方时， 方位为 -135 ° ，在 正西方时方位 角为 9 0° ，在正北方 时为± 180 。实际上太 阳并不总 是东升西落 ，只有在 春秋分两 天，太阳是 从正东方升 ，正西方 落。在北半 球，从 春分到秋分 的夏半年中 ，太阳从 东偏北的方 向升（ 方位角为 -90 ° 到 -180 ° 之 间），在 西偏北的方 向落（ 方位角为 90° 到 18 0° 之间）；而 从秋分到下 一年春 分的冬半年 中，太阳从 东偏南的 方向升（方 位角为 -90 ° 到 0° 之间）， 在西偏南的 方向落（方 位角为0° 到 90 ° 之间）。太阳 方位角（ A） 的计算公式为 [4]co sA=-sin δ secφ （ 2）式 中，φ 为地理 纬度；δ 为 太阳赤纬。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（ 见图 4） ，并通过试 验测试在太 阳能发 电中，相同 条件下，采 用自动跟 踪式的发电 设备要 比固定式的发 电设备效率提 高情况。图 4 太阳 能跟踪系统应 用示意图5.1 接 线原理图（见 图 5）在 12 台 跟踪式太阳 能光伏阵 列中选择两 台进行 试验， 首先将 #电 池板阵列的太 阳能自动跟 踪器2009 81021新 能 源 专 题年第 期 3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 其固定不动 ；而 2#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 5 太阳能 跟踪系统试验 接线原理图5.2 结果分析从图 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 时分因跟 踪与固定 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%（试验时间 12 月 18 日） 。图 6 直流 电流图图 7 直 流功率图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 保了对跟 踪精度的要 求， 同时具有结 构简单、成本低、适用 性强等特点。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[ 1] 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] William B Stine, R oymond W Har rigan. “ Solar EnergyFundamentals and Design ” 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]. 北京 :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能并网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 国 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 10 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 8 10