基于天氣類型劃分的單軸軌道式光伏跟蹤策略

李 芬，張德隆，毛 玲，崔 楊

(1.上海電力大學，上海 200090；2.湖北省氣象服務中心，湖北武漢 430205)

光伏作為一種可再生能源在全球能源領域地位愈發重要[1]，光伏發電在社會發展與科技進步方面發揮的作用也越來越大。光伏跟蹤系統能夠有效追蹤太陽輻射提高光伏電站的發電效率，傳統的單軸跟蹤模式根據轉軸的方向可分為水平單軸、豎直單軸和斜單軸[2]，文獻[3]提出在一年的不同時間段內，通過手動調節光伏組件相對水平面的傾角，可以顯著提高接收到太陽年輻射量20%～30%，采用這種方法雖然降低了成本，但也犧牲了跟蹤精度；文獻[4]提出了一種“斜面+楔形體+轉軸”的新型單軸跟蹤模式，雖然理論上提升了跟蹤精度，但該模型在運行過程中角度變化并不平滑，跟蹤過程易出現故障；文獻[5]在跟蹤系統的控制方法角度上提出一種新的算法，對光伏系統的效率進行提升；文獻[6]提出一種新的天氣類型劃分方法，然后對不同的斜面輻射模型進行篩選，得出最優結果，但均未提出新的跟蹤運行方式。

光伏組件接收的太陽輻射主要由直接輻射部分和散射輻射部分構成，其中直接輻射占主要部分。由于光伏跟蹤系統主要追蹤太陽輻射的直接輻射部分，在以太陽直接輻射為主的天氣類型下光伏跟蹤系統能以較高效率運行[7]。因此，需要一種簡單有效的天氣類型劃分方法精確區分直接輻射為主的天氣，對不同光伏跟蹤模式的選擇提供指導。

針對上述研究中光伏跟蹤系統主要追蹤直接輻射分量，以及現有單軸跟蹤系統精度較低的問題，提出了一種新的天氣類型劃分方法，可以更精確地分辨出直接輻射分量占主體的天氣；以及一種新的單軸軌道式光伏跟蹤系統運行方式，提高跟蹤系統的跟蹤精度，同時顯著提升光伏發電效益。

1 新型天氣類型劃分方法

1.1 數據來源

本文實例使用的地面輻射及常規氣象要素觀測資料來源于國家氣象信息中心，數據時間為完整一年。其中逐時輻射數據包括水平面總輻射、直接輻射、散射輻射和反射輻射；氣象要素數據包括總云量、能見度、降水等資料，所有數據均經過嚴格的質量控制及檢查，質量良好。

1.2 相關性分析

光伏發電效率與光伏組件表面接收到的太陽輻射量直接相關，氣象環境因子可以從各個角度描述氣象環境條件對太陽輻射產生的復雜影響[8]。為比較氣象環境因子對太陽輻射的影響程度，氣象環境因子與太陽輻射之間的相關性分析見表1。其中kT為清晰度指數，C為云量，RH為相對濕度，τb為大氣透射率，Bd為直射比，In和Id分別表示到達地面的法向輻射和散射輻射。

表1 直接輻射與氣象環境因子相關性分析

法向直接輻射與大氣透射率呈正相關，且最為顯著，相關系數達到0.994。其次是小時清晰度指數和直射比。對于光伏跟蹤系統而言，跟蹤的對象主要是太陽輻射的直射部分，故如何精確劃分出直射比較高的天氣類型至關重要。因此，選取大氣透射率τb作為評估光伏跟蹤系統模型性能表現的天氣類型劃分指標。

1.3 相關性分析

當大氣透射率τb為0 時，作為特例分為一類，其余數據則使用自組織映射神經網絡SOM 進行聚類，聚類數目為4，聚類結果如表2 所示并顯示了每種天氣類型的份額；選取現有的一種精度較好的云量與清晰度指數交叉劃分的天氣分類方法作為對比。

表2 不同天氣類型分類標準

相比于現有交叉分類法，新分類法的天氣類型區分度更加明顯，不同類型天氣之間對于輻射的收益轉化層次更清晰。如圖1(a)所示如新分類法的Type1 天氣類型小時水平總輻射(單位：kWh/m2)明顯高于以往交叉分類方法的Type1 天氣，新型分類方法有明顯的遞增過渡，分別從Type5(0.386)～Type4(1.097)～Type3(1.582)～Type2(1.786)～Type1(2.201)遞增至最高；而以往分類方法Type5(0.274)～Type4(0.907)～Type3(2.054)～Type2(2.006)～Type1(1.804)先遞增后下降，在天氣類型Type3達到最高，相比較而言新型分類方法更加合理。另外從圖1(b)小時水平直接輻射看，Type1 天氣類型下新型分類方法的1.782 明顯高于交叉分類方法的1.336，可見新型分類方法對于直接輻射的篩選更加精確，因此更加適用于追蹤直接輻射的跟蹤式光伏系統的評估與指導。

圖1 水平面小時輻射

2 單軸軌道式跟蹤模型

2.1 工作原理

新型單軸軌道跟蹤系統整體上主要由旋轉軸、軌道兩部分組成，如圖2 所示。軌道作為該跟蹤模式的主要構成部分，整體外觀大致呈一個“凸”字型，運行過程如圖3 所示。上午時間段，太陽東升，光伏組件沿軌道朝向由東向南運動,與正南方向夾角b為其方位角，光伏組件位于軌道較平緩段，此時組件傾角a最大，對應上午時間太陽高度角較低平，保證陽光直接輻射組件；當中午時刻，光伏組件沿軌道運行至中間凸起部分，組件傾斜角度a變小，對應為中午時刻太陽高度角最大點，同時組件方位角b與正南方向重合變為0；下午時間段，太陽西落，高度角降低，a與b再次變大。整個運行過程通過旋轉軸旋轉保持了對太陽方位角跟蹤，斜面傾角隨軌道變化實現了對太陽高度角的跟蹤，跟蹤效果顯著提升。

圖2 整體結構圖

圖3 工作示意圖

2.2 數學模型

圖4 中，θT為光伏組件斜面上的太陽光入射角，β 為斜面傾角。水平面位置、斜面及斜面法向位置均在圖中標示出。由圖4、圖5 可得光伏組件斜面上小時太陽總輻照量ITb與直射輻照量In之間的關系為：

圖4 光伏組件斜面太陽輻射模型

圖5 模型各角度關系

可以得到斜面與水平面上小時直射輻照量的比：

斜面總輻射由斜面直接輻射、散射輻射及反射輻射組成，計算公式如下：

式中：IT為小時斜面總輻射；Ib為水平面小時直接輻射；Id為水平面小時散射輻射；Ir為斜面反射輻射；Rb為斜面與水平面上直接輻射之比；Rd為斜面與水平面上散射輻射之比。

斜面反射輻射計算方法為：

式中：I為水平面總輻射；ρ 為地表反照率。

目前，斜面散射輻射算法分為各向同性模型和各向異性模型，其中Perez 模型在目前常用經典模型中誤差相對較小[9]。Perez 模型將天空散射分解為環日散射輻射、地平散射輻射、其余穹頂均勻分布散射輻射三部分，計算公式如下：

式中：a=max(0,cosqT)；b=max(cos85°,cosqz)；F1為環日太陽系數；F2為水平亮度系數。

在赤道坐標系中太陽高度角、天頂角和維度、赤緯角及時角的關系如下：

地平坐標系中新單軸軌道式光伏組件角度模型如圖5 所示，可推導出計算太陽直射到該組件表面的入射角：

另外，光伏組件將太陽輻射轉化為交流電能的過程中需要通過光電轉換以及逆變兩個環節。

光電轉換環節[10]主要是太陽輻射經過光伏電池或光伏陣列轉化為輸出直流功率的物理過程：

式中：Pdc為直流發電功率；ηpv為光電轉換效率；S為光伏陣列有效面積；K1為直流回路損失系數。

逆變器轉化效率ηinv表示逆變器輸出的交流發電功率與光伏陣列輸出最大直流發電功率的比值：

3 實例分析

3.1 模型仿真與分析

除了新單軸軌道式跟蹤模式外，本文還選取了固定斜面模式(最佳傾角)、垂直軸(方位角跟蹤)以及東西軸(高度角跟蹤)共四種跟蹤模式，使用MATLAB 進行模型仿真，采用新型天氣分類方法，在不同天氣類型下采用不同的跟蹤模式進行多方面對比分析。

3.2 跟蹤模式發電量收益分析

圖6 展現了不同跟蹤模式下全年發電總量情況，相比光伏組件水平面放置的發電收益，本文提出的單軸軌道跟蹤模式全年發電總量提升了33.98%，斜面最佳傾角放置提升了14.73%，東西軸跟蹤模式提升了17.73%，垂直軸跟蹤模式提升了28.89%，可見單軸軌道跟蹤模式在全年總發電量方面提升明顯。由圖7 可以看出，在全年各月發電量方面，軌道式新單軸相較于其它類型單軸有較明顯的優勢。

圖6 不同跟蹤模式全年總發電量對比

圖7 不同跟蹤模式月發電量變化趨勢

3.3 不同跟蹤模式精度與穩定性分析

3.3.1 穩定性分析

變異系數Vσ、平均距平百分比Xd和穩定度S是太陽輻射或其他變量波動性的標準化量化指標。變異系數和平均距平百分比的值越小，變量的波動性越小，穩定度則恰恰相反。

四種跟蹤模式的跟蹤穩定性如表3 所示，對比可發現固定斜面最佳傾角方式的穩定性最高，在三種單軸跟蹤模型中新單軸的穩定性介于東西軸和垂直軸之間，穩定度較好。

3.3.2 精度分析

分別選取春分日和夏至日作為典型日，分析不同跟蹤模式下的入射角度變化。入射角度數越小表明模型追蹤太陽直射的精度越高，而曲線變化率越大說明追蹤穩定性越差，如圖8 所示。

圖8 典型日期太陽入射角變化

3.4 不同天氣類型下跟蹤模式分析

對比圖7 與圖9 可以發現，單軸軌道式跟蹤模型的各月發電量與Type1、Type2 兩種天氣類型的變化趨勢基本一致，這是由于跟蹤系統的主要輻射來源于直接輻射，而Type1、Type2 兩種天氣類型下的不同跟蹤模式的發電量占比分別為：固定斜面模式59.89%，垂直軸跟蹤模式61.6%，東西軸跟蹤模式61.33%以及新單軸跟蹤模式63.07%，直接輻射構成了Type1、Type2 天氣類型下的主要發電來源，由此可見在這兩種天氣類型下采用新單軸跟蹤模式可獲得更高的發電收益。

圖9 Type1、Type2天氣類型分布

在表4 中可以看到不同天氣類型下不同跟蹤模式的單位時間發電量Ra，相應的發電量占比Pa，以及平均值X。對所有四種跟蹤模式而言，在Type1、Type2、Type3 天氣類型下的單位時間發電量均高于該跟蹤模式的平均值，也就是說跟蹤模式應盡量運行于這三種類型的天氣條件下，這樣能以更高的效率獲得電能；而在Type1、Type2、Type3 天氣類型中，新單軸跟蹤模式均有最高的單位時間發電量，其次為垂直軸和東西軸；而在Type4 天氣類型下，垂直軸跟蹤模式具有更高的效率，Type5 天氣類型總發電量占比過小可忽略不計。

表4 不同天氣類型下不同的跟蹤模式的單位時間發電量 kWh

4 結論

本文提出了一種基于大氣透射率的新型天氣類型劃分方法，以及一種新型單軸軌道式光伏跟蹤模式，通過國家氣象信息中心的實際光伏觀測數據進行仿真驗證，并對比了現有的光伏跟蹤模式，得出以下結論：

(1)從氣象因子相關性、小時輻照度，以及與現有天氣分類方法進行對比，該分類方法具有良好的區分度以及對直接輻射分量的有效篩選，可用于跟蹤式光伏系統的選擇與指導。

(2)本文提出的軌道式單軸控制方式通過單軸旋轉與軌道的組合，同時滿足了對太陽高度角、太陽方位角的追蹤，仿真證明精度、穩定性以及發電收益相對于現有單軸系統均有提高。

(3)在合適的天氣類型分類條件下，根據不同的天氣類型采用不同的跟蹤模式，可以顯著提高光伏跟蹤系統的發電量及效率，對實際安裝光伏跟蹤系統起到了一定的參考指導作用。