光伏電池最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計

楊獲然 秦紅宇 董曉寶

摘要：通常情況下，考慮到收益的問題，我們總是希望光伏系統(tǒng)能發(fā)揮最大的功率，但太陽的光照強度隨著地球的自轉(zhuǎn)而發(fā)生改變，太陽能光伏系統(tǒng)的功率輸出也隨著日照和空氣的溫濕度而改變。光伏發(fā)電系統(tǒng)里的捕獲太陽能的電池陣列，因光照強度的影響，也降低了光伏電池的光照效率。所以建立光伏電池的跟蹤系統(tǒng)，能有效解決主觀因素帶來的能量的錯失。最大功率點跟蹤技術(shù)是光伏發(fā)電系統(tǒng)中關(guān)鍵的技術(shù)，光源跟蹤方法的設(shè)計，使現(xiàn)有的光伏系統(tǒng)能接收到更多的光能，使光伏發(fā)電運用到不同的場景中去。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電;光源跟蹤;光線傳感器

引言

光伏發(fā)電不僅為綠色倡導(dǎo)，它工作的時候也沒有噪音，更不會對環(huán)境造成污染，在不同的場景都能運用，是當(dāng)今社會的新能源，不會受到當(dāng)今時代能源危機的干擾，反而以它的特點和優(yōu)勢倍受世界的廣泛關(guān)注，光伏發(fā)電的核心元件是光伏電池，他能夠通過一系列化學(xué)反應(yīng)把光能轉(zhuǎn)化為電能，所以光源的大小直接影響了光伏的發(fā)電效率，固定的發(fā)電方式在太陽光照不垂直于光照板時接收的光能有一定的局限性。因此，光伏電池最大功率跟蹤系統(tǒng)設(shè)計能有效的解決這一難題，提升了光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。

1跟蹤控制算法方案選擇

跟蹤控制的算法主要有概念控制法、增量電導(dǎo)法、恒壓法、階梯法、擾動觀察法、增加導(dǎo)電法等。從花費成本、難易程度、準(zhǔn)確度和反應(yīng)速度等方面全面科學(xué)的考量之后，本文選擇擾動觀察法。擾動觀察法的工作機理是給工作電壓實施一個干擾，電壓的變化引起輸出功率的變化。如果輸出功率變大則繼續(xù)持續(xù)不變的擾動，如若減小就改變方向。通過系統(tǒng)分析選擇的DC-DC轉(zhuǎn)化器的占空比為擾動對象，如果輸出功率隨著占空比光伏陣列增加而增加，那就繼續(xù)增加，反之則減少。

擾動觀察跟蹤算法有固定步長擾動觀察法和自適應(yīng)步長擾動觀察法，因為結(jié)構(gòu)比較簡單的特點，檢測少，對傳感器精度沒有太大的要求，容易操作。但也有利有弊，擾動進行時后系統(tǒng)會出現(xiàn)震蕩，引起功率損失。但擾動步長大小的選取要兼顧系統(tǒng)的穩(wěn)定性能和動態(tài)性能。因此在光線強度變化緩慢的地方比較適合采用擾動觀察法較。但因不同的地域和不同的環(huán)境因素，光伏電池載量、溫度、和光照的大小都是呈現(xiàn)非線性，功率點的變化也在不停的發(fā)生變化。這樣的非線性系統(tǒng)如果使用模糊控制方法，將會得到一個比較不錯的效果。結(jié)合上文所講，本系統(tǒng)的擾動觀察法，測量參數(shù)少、硬件結(jié)構(gòu)要求低、模糊控制算法簡單，同時提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2.1光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)

光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)的特點是自動跟蹤系統(tǒng)通過實時跟蹤地球的自轉(zhuǎn)引起的對太陽光光照的運動，使太陽光垂直于光伏發(fā)電的電池板，從而增加光伏陣列接收到的太陽光照能量，提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量。使用廣泛的有四種太陽光伏自動跟蹤系統(tǒng)，包括水平單軸跟蹤、斜單軸跟蹤系統(tǒng)、垂直單軸跟蹤和雙軸跟蹤，主要由光伏供電裝置、光伏供電系統(tǒng)、逆變與負(fù)載系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)采各裝置結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)都具有獨立的功能。

2.2監(jiān)控系統(tǒng)

監(jiān)控系統(tǒng)的組成主要由計算機、力控組態(tài)軟件等結(jié)構(gòu)組成，為對整個光伏發(fā)電光源跟蹤控制系統(tǒng)進行實時的監(jiān)控，界面顯示器上顯示了主要有光伏供電系統(tǒng)、光伏供電控制、逆變與負(fù)載、曲線、系統(tǒng)報表等構(gòu)造，可以對發(fā)電系統(tǒng)實施遠(yuǎn)程控制。避免事故發(fā)生得不到及時處理從而影響發(fā)電效率。

2.3傳感器系統(tǒng)

傳感器安裝在太陽電池方陣上，與其同步運行。光線方向一旦發(fā)生細(xì)微改變，則傳感器失衡，系統(tǒng)輸出信號產(chǎn)生偏差，當(dāng)偏差達(dá)到一定幅度時，傳感器輸出相應(yīng)信號，執(zhí)行機構(gòu)開始進行糾偏，使光電傳感器重新達(dá)到平衡—即由傳感器輸出信號控制的太陽電池方陣平面與光線成角時停止轉(zhuǎn)動，完成一次調(diào)整周期。如此不斷調(diào)整，時刻沿著太陽的運行軌跡追隨太陽，構(gòu)成一個閉路反饋系統(tǒng)，實現(xiàn)自動跟蹤。系統(tǒng)不需設(shè)定基準(zhǔn)位置，傳感器永不迷失方向。系統(tǒng)設(shè)有防雜光干擾及夜間跟蹤電路，并附有手動控制開關(guān)，以方便調(diào)試。

2.4單雙軸跟蹤系統(tǒng)

雙軸跟蹤系統(tǒng)是在兩個方向上旋轉(zhuǎn)的自由度，因此它可以360度跟蹤太陽的高度角和方位角，使得輻射接收面始終垂直于太陽的入射方向，即在跟蹤范圍內(nèi)太陽的入射角始終為零，最大化的利用太陽能資源。雙軸跟蹤系統(tǒng)一般沒有細(xì)化的分類，但雙軸跟蹤的實現(xiàn)形式，即實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)自由度的機械結(jié)構(gòu)可以有多種形式

雙軸跟蹤雖然輻射接收量高，但由于其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，投入成本多，花銷大等不利條件限制了發(fā)展，而單軸跟蹤系統(tǒng)相對于雙軸跟蹤系統(tǒng)，在輻射接收量和成本等方面取得了相對較好的平衡，今年來的發(fā)展也更為迅速。單軸跟蹤系統(tǒng)只在一個方向上有自由度，結(jié)構(gòu)相對簡單，但同時也就不能保證光能的接收全面的進行，只能是盡量的把太陽光的入射角減小，提高輻射接收量。單軸跟蹤系統(tǒng)的比雙軸跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要多一些，總體上可分為斜單軸跟蹤系統(tǒng)、平單軸跟蹤系統(tǒng)和垂直軸跟蹤系統(tǒng)。

3實驗測試

3.1測試內(nèi)容

在同樣的光照強度和相同的環(huán)境條件下，分別用固定的光伏發(fā)電設(shè)備和跟蹤設(shè)備，首先把功率相同的投射燈放置在擺桿上端模擬太陽光，模擬器從東往西模擬地球的自轉(zhuǎn)，起始角為60度，終止角為120度，每次旋轉(zhuǎn)3.24度;分別記錄兩種設(shè)備下光伏電池陣列的輸出電壓、電流，計算輸出功率，畫出光伏發(fā)電功率折線圖做為對比。

3.2測試方式

固定式發(fā)電：把擺桿調(diào)至位置中心，與水平面保持垂直;調(diào)節(jié)光伏電池方陣把方陣正面對著投射燈，并使方陣平面與地面夾角為45°固定起來;使擺桿自東向西旋轉(zhuǎn)，并記錄每次旋轉(zhuǎn)光伏電池陣列輸出的電流與電壓，計算設(shè)備輸出功率。光源跟蹤式發(fā)電：前面步驟同固定式發(fā)電一樣，先打開擺桿自動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)使擺桿自東向西旋轉(zhuǎn)，同時打開光伏發(fā)電自動跟蹤系統(tǒng)，使光伏電池陣列與入射光線一直保持垂直的狀態(tài)，觀察自轉(zhuǎn)情況避免自動旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)突發(fā)狀況，然后記錄下光伏電池陣列輸出的電流與電壓，由此計算輸出功率。

結(jié)語

降本增效即降低成本增加效率是光伏行業(yè)亙古不變的主題，因為只有光伏發(fā)電成本持續(xù)下降，才能加快光伏行業(yè)前進的步伐，才能成為更具競爭力的電力產(chǎn)品。本文對于光伏發(fā)電中光能源是否能全面捕獲的問題，主要對光伏電池的跟蹤系統(tǒng)進行了研發(fā)，設(shè)計出了光伏發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤流程的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，確定了三維導(dǎo)圖，用光線傳感器實現(xiàn)太陽光360度追蹤，設(shè)計光源跟蹤控制策略。最終通過實驗結(jié)果證明了跟蹤光源獲能的有效性。在光伏電池陣列工作穩(wěn)定的情況下，光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)大大提高了掛不辜負(fù)發(fā)電的效率。通過對固定式光伏發(fā)電獲得的最大功率和跟蹤光伏發(fā)電獲得最大功率的對比，發(fā)現(xiàn)本文所設(shè)計的光伏發(fā)電最大功率點固定式發(fā)電的功率遠(yuǎn)不如跟蹤控制系統(tǒng)的發(fā)電功率，跟蹤光伏發(fā)電效設(shè)備的運用，顯著提高了發(fā)電效率，同時對太陽能光伏電池組件得到了充分的利用。該系統(tǒng)能夠自動化管理，自己調(diào)節(jié)垂直于光照的排列位置，使其時時刻刻都與太陽正對，保證太陽透射的光線始終垂直于電池板上，提高光能組件的發(fā)電量。

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