光伏產業化跟蹤系統與驅動方案的比較分析

趙建陽，宋 凱，劉 歡，陳志明,付 蕾，盧繼霞，賈瑞清

（中國礦業大學（北京） 機電與信息工程學院，北京 100083）

0 引言

在空氣污染日益嚴重的今天，對新能源的開發利用日顯重要。對太陽能的研究利用成為人們的熱點，提高發電效率是核心問題。提高效率有二點，一是太陽能電池板光電轉換效率，目前單晶硅電池實驗室光電轉換效率最高達24.7%，多晶硅電池轉換效率也達到20.3%[1]；二是設計光伏跟蹤系統，不同的跟蹤方式發電效率差異明顯。

本文對現有的光伏跟蹤方式與驅動控制方法進行研究，從經濟性與可行性角度，為光伏產業化過程中跟蹤系統的選擇提供參考。

1 太陽時角與方位角

1.1 時角坐標系

以天赤道為基本圈，北天極為基本點，天赤道和子午圈在南點附近交點為原點的坐標系稱為時角坐標系，如圖1 所示。通過北天極和太陽做一個大圈，叫做時圈，時圈交天赤道于T 點，從原點Q 沿天赤道順時針方向計量，弧QT 為時角t，弧XT 叫做赤緯δ[2]。

圖1 時角坐標系Fig.1 The equatorial coordinate system

1.2 太陽角概念

如圖2 所示，給出如下定義：定義指向太陽的向量s→與天體Z 之間的夾角為天體角，用θ 表示；定義向量s→與地平面的夾角為太陽高度角，用h 表示；定義向量s→在地面上的投影與南北方向線之間的夾角為太陽方位角，用γ 表示。

圖2 太陽角定義Fig.2 The define of sun angle

用ω 表示太陽的時角，定義為：在正午時ω=0，沒間隔一小時增加15°，上午為正，下午為負。計算太陽高度角的表達式為：

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcosω

式中：φ—地理緯度；δ—太陽赤緯角；ω—太陽時角。正午時太陽時角ω=0，在南回歸線內，可計算出此時太陽高度角h=90°。太陽方位角的計算公式為：

根據地理經緯、太陽赤緯和觀察時間，利用此式可計算所在地區的太陽方位角[3,4]。

2 光伏發電跟蹤方式

光伏跟蹤發電都是相對于光伏固定而言，最佳固定傾角取決于很多因素，如地理位置、全年太陽輻射分布等。設計中都是利用RETScreen 等專業軟件，采用試算法計算不同傾角下對應太陽輻射量，選取最大太陽輻射量對應傾角為固定安裝傾角，傾角角度與當地緯度很接近。

相對固定傾角發電有三種跟蹤方式，單軸轉動、雙軸轉動與極軸轉動。

2.1 單軸轉動跟蹤系統

水平軸跟蹤只要調整光伏電板主軸旋轉角，準確跟蹤太陽的時角，并不跟蹤太陽赤緯角，跟蹤在緯度有固定差值。

圖3 典型光伏單軸轉動跟蹤系統Fig.3 Typical pv single axis tracking system

圖4 典型的光伏雙軸跟蹤系統Fig.4 The typical pv two-axis tracking system

2.2 雙軸轉動跟蹤系統

通過對太陽光線的實時跟蹤，跟蹤調節高度角與時角，保證每時每刻太陽光線與太陽面板垂直，獲得最大發電量。雙軸跟蹤系統采用光敏傳感器實現精確跟蹤，光強檢測放大電路將光敏傳感器輸出的信號進行放大比較，將偏差信號送到單片機進行處理，從而控制執行部件對太陽的高度角和方位角進行跟蹤。

2.3 極軸跟蹤系統

極軸跟蹤是雙軸跟蹤的一種簡化，將光伏板的橢圓跟蹤軌跡轉化為繞極軸的旋轉，只跟蹤太陽時角，如圖5 所示，將太陽能板的旋轉軸（極軸）調整至于地軸平行，安裝角為當地緯度角φ，極軸旋轉抵消地球的自轉。同時為保證太陽能電池板與太陽光垂直，使電池板與極軸夾角為太陽赤緯角δ。這樣將二維運動轉化為一維，簡化了系統的機械結構，降低了系統的運行安裝成本。

圖5 極軸跟蹤示意圖Fig.5 Polar axis tracking diagram

2.4 光伏跟蹤方式對比

查閱國內相關研究不同跟蹤方式資料，給出了不同跟蹤方式全年太陽能收益對比，見圖6。作者調研寧夏紅寺堡光伏發電站，實際使用中單軸、雙軸與極軸的發電效率確實有提高，但由于寧夏常年風大，發電效率提高有限。由于常年有風，單軸、雙軸與極軸調節方式中驅動電機易損壞，維修費用較高，所以整體經濟性與固定式安裝相比有所提高，但幅度很小。

圖6 不同跟蹤方式全年太陽能收益Fig.6 Different ways of tracking solar gains all the year round

3 光伏跟蹤驅動方式

圖3 與圖4 中跟蹤執行機構的驅動都采用步進電機，但目前已經有液壓驅動方面的研究[5]。

本文對可以用于光伏跟蹤系統的驅動方式進行對比，詳見表1。

調研現有光伏電站，光伏跟蹤系統都是電機驅動。但液壓驅動與電機驅動相比，具有系統工作平穩，操縱控制簡便，容易實現過載保護等優點，液壓系統可以實現光伏跟蹤系統的聯動。隨著水液壓傳動的研究，液壓系統會更多的應用在光伏跟蹤領域。

表1光伏跟蹤系統不同驅動方案對比Tab.1Compareofdifferentpvtrackingsystem

4 結論

光伏發電跟蹤系統能有效提高發電效率，但是在光伏產業化過程中，從經濟性與可行性角度來看，大型光伏電站采用極軸與雙軸跟蹤可以有效提高經濟效益，小型光伏電站采用單軸和固定傾角安裝經濟性較好。在風力較大的地區和自然環境惡劣的地區，極軸與雙軸的損壞率較高，維修成本高，同時跟蹤精度降低，考慮極軸與雙軸安裝成本因素，因此在上述地區最好采用固定傾角安裝。

在光伏電站選擇跟蹤系統驅動方式方面，自然條件好（風小、陽光充足）的地區可以采用液壓驅動或者電機驅動，電機驅動適用于小規模發電，液壓驅動適用于大規模發電。液壓傳動可以實現聯動，這對大規模光伏發電具有優勢。液壓驅動在光伏跟蹤中會有很廣闊的應用前景。

[1] 張鵬飛.光伏發電自動跟蹤系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2009，3.

[2] KOUTROULIS E,KALAITZAKIS K.Novel battery charging regulation system for PV applications. Electric Power Applications[J], IEE Proceedings,2004,2.

[3] 徐東亮，任超.太陽能自動跟蹤裝置控制系統的研究[J].機械工程與自動化，2008，3.

[4] MOHAMAD MAS,BADEJANI SMM,EWALD FF. Microprocessorcontrolled new class of optimal battery chargers for photovoltaic applications[J].IEE Transactionson Energy Conversion,2004,3.

[5] 李仁浩.液壓式太陽能光伏發電自動跟蹤系統研究與設計[J].高科技產品研發，2013，13.