考慮復雜地勢的斜單軸光伏跟蹤支架逆跟蹤控制策略

摘"要：為解決在山地等復雜地勢下斜單軸光伏跟蹤支架會發生支架間相互遮擋的問題，并提高光伏跟蹤支架的使用壽命，本文提出一種考慮復雜地勢的斜單軸光伏跟蹤支架逆跟蹤控制策略，依靠功率的對比自動尋找存在遮擋現象的跟蹤支架，并通過功率的自適應調節逆跟蹤控制尋找最佳的無遮擋跟蹤角度，無須獲取陰影長度、坡度等參數，計算不發生遮擋的跟蹤角度，使得復雜地勢下的跟蹤支架不會在視日跟蹤的時間范圍內出現相互遮擋的情況。最后詳細解釋了控制策略的具體過程，并以圖文的方式說明該策略的可行性。

關鍵詞：復雜地勢；斜單軸；逆跟蹤控制；光伏跟蹤支架

Abstract：In"order"to"solve"the"problem"of"mutual"occlusion"between"the"brackets"under"the"complex"terrain"such"as"mountains，and"to"improve"the"service"life"of"the"PV"tracking"bracket，this"paper"proposes"an"inverse"tracking"control"strategy"for"the"inclined"singleaxis"PV"tracking"bracket"consideringnbsp;the"complex"terrain，which"relies"on"the"comparison"of"the"power"to"automatically"search"for"the"tracking"bracket"that"has"the"phenomenon"of"occlusion"and"searches"for"the"optimal"tracking"angle"without"occlusion"by"the"inverse"tracking"control"through"the"adaptive"adjustment"of"the"power.The"tracking"angle"without"obtaining"the"shadow"length，slope"and"other"parameters"to"calculate"the"tracking"angle"without"occlusion，so"that"the"tracking"brackets"under"complex"terrain"will"not"occlude"each"other"in"the"time"range"of"the"apparent"day"tracking，and"finally"explains"the"specific"process"of"the"control"strategy"in"detail"and"illustrates"the"feasibility"of"the"strategy"in"graphical"form.

Keywords：Complex"Terrain；Oblique"Uniaxial；Inverse"Tracking"Control；Photovoltaic"Tracking"Mounts

隨著社會的迅猛進步，對傳統能源的消耗呈現出加速增長的態勢，而過度追求經濟的高速增長，不可避免地加劇了全球生態環境的惡化。在這一背景下，太陽能作為一種無污染的可再生能源，是國際社會公認的替代能源［1］，盡管太陽能前景廣闊，當前將太陽能高效轉化為電能的光伏電池技術仍面臨兩大挑戰：一是制造成本居高不下；二是技術裝置本身存在諸多待完善之處。鑒于此，提升光伏電池的使用壽命成為亟待解決的關鍵問題。這不僅關乎降低太陽能發電的長期成本，提高能源利用效率，更是推動太陽能產業可持續發展、促進全球能源結構轉型的關鍵一步。

根據《光伏發電站設計規范》（GB507972012）要求［2］，光伏方陣間距設置要保證在全年每天9：00—15：00（當地真太陽時）時段內相鄰（東、西、南、北）支架互不遮擋。目前，大多數光伏跟蹤系統的設計都是基于平坦地形的方案，然而在山地等復雜地勢下，由于跟蹤支架間存在坡度差異，如果按照平地方案進行安裝，跟蹤支架之間會產生顯著的陰影遮擋現象。這種遮擋不僅使被遮擋區域的光伏組件無法發電，還會成為額外的電阻區域，從而降低整體的發電效率。更為嚴重的是，長期持續的陰影遮擋會加速光伏組件的衰減，甚至可能對其造成損壞［3］。

本文針對復雜地勢的斜單軸光伏跟蹤支架逆跟蹤控制進行研究，通過異常跟蹤支架檢測模塊找到遮擋支架，接著通過功率自適應逆跟蹤控制對遮擋支架與被遮擋支架進行控制，尋找到無陰影遮擋的最佳角度，從而實現相鄰支架互不遮擋。

1"斜單軸跟蹤

1.1"跟蹤支架分類

光伏跟蹤式系統通過精密調控電機等動力裝置的運動軌跡，動態調整光伏組件的朝向，確保太陽光能夠最大限度地以垂直角度照射在電池板上，從而優化太陽能的收集效率。該系統主要由兩大核心構成：控制系統與執行系統。控制系統宛如一臺微型智能計算機，負責接收來自各種傳感器的信號，進行高效處理，并據此向執行系統發出精準指令。而執行系統則囊括了各類用于采集環境信息的傳感器，以及執行調整任務的電機等動力設備。

依據支架設計的不同結構特性，跟蹤式系統可細分為三大類：平單軸跟蹤系統、斜單軸跟蹤系統和雙軸跟蹤系統。平單軸系統允許組件圍繞水平軸旋轉，以跟隨太陽在東西方向上的移動；斜單軸則在此基礎上，通過傾斜安裝，進一步提高了對太陽位置變化的適應性；而雙軸跟蹤系統則最為靈活，能夠同時在水平和垂直兩個方向上調整組件位置，確保無論太陽處于何種高度和方位，都能實現近乎完美的光線垂直入射，從而使太陽能的利用率達到最大化。

單軸跟蹤系統相比于固定式支架的發電量提升明顯，其中平單軸跟蹤系統更加適合于低緯度地區，而斜單軸跟蹤系統更適合于中高緯度地區。在我國的大部分區域，斜單軸跟蹤系統由于傾角的存在，相對于平單軸跟蹤系統能夠得到更多的太陽直接輻射。國內外研究人員對于單軸跟蹤系統進行了大量的綜合分析，從發電量上來講，水平單軸跟蹤系統相對于固定式系統提高了15%～20%，而斜單軸跟蹤系統相對于固定式系統則提高了25%～30%［47］。雙軸跟蹤系統是通過兩套動力裝置分別實現太陽高度角和太陽方位角的跟蹤，這就意味著每一個獨立的支架需要配備兩個獨立的動力裝置，使安裝初期的成本大大增加。同時為了避免陰影遮擋，雙軸跟蹤支架的安裝間距要遠大于固定式同等裝機容量的發電系統，雙軸跟蹤支架的面積可達到固定式支架的兩倍以上［8］。

鑒于我國廣袤地域多處于中高緯度帶，尤其是在西部地區及北部，這些區域蘊藏著豐富的光伏資源，因此，采用斜單軸支架進行光伏發電時，其效率顯著優于平單軸支架。進一步而言，平單軸支架本質上可視為斜單軸的一種特殊形態，其設計原理直接源自斜單軸，僅需將原有的傾角調整至0度，即可轉化為平單軸的設計方案。綜合以上因素，本文選擇斜單軸支架進行研究。

1.2"跟蹤方式及原理

目前控制系統的跟蹤方式主要分為三種：開環跟蹤、閉環跟蹤和混合式跟蹤。開環跟蹤也叫主動式跟蹤、視日運動軌跡跟蹤，它基于天體運動學原理，構建起太陽相對于光伏板安裝地點在一日內的運動軌跡模型。通過預設程序于控制系統中，該策略能自動調整太陽能電池板的角度，使之與太陽的移動軌跡保持同步。其控制原理如圖1所示，這種跟蹤方式的穩定性較高，成本也比較低，可實現全天候實時跟蹤，但容易產生累計誤差，需要人工不斷地進行調整。

閉環跟蹤也被稱為被動式跟蹤，其核心在于利用光電傳感器或其他高精度的位置傳感器，實時捕捉并監測太陽的確切位置。這些傳感器將收集到的太陽位置信息即時傳輸給控制系統，隨后控制系統依據這些信息精確控制動力裝置的運動，確保太陽能電池板始終正面朝向太陽。其工作原理如圖2所示，這種跟蹤方式對于太陽位置變化具有靈敏的響應，也正因為如此，導致系統受環境影響比較大，易產生誤動作，并且跟蹤精度還取決于傳感器的精度。

混合式跟蹤融合了前兩種跟蹤的大部分優點，即在開環跟蹤的基礎上加上傳感器，通過傳感器的反饋信號減少了累計誤差帶來的影響。當然，混合式跟蹤的安裝成本和運維成本也是最高的，一般只適用于聚光光伏系統中。

考慮現實生活的成本及穩定性等因素，視日跟蹤方式應用較為廣泛，因此本文在斜單軸視日跟蹤基礎上進行研究。

1.3"陰影遮擋現象

目前，大多數斜單軸光伏跟蹤系統的設計都是基于平坦地形的方案。在山地等復雜地勢下，由于跟蹤支架間存在坡度差異，按照平地方案進行安裝，采用視日跟蹤方式的情況下，在太陽高度角較低的時間段，即早晨和傍晚時分，跟蹤支架之間會產生顯著的陰影遮擋現象。如圖3所示，在山地地勢支架間存在坡度差時，圖（a）和圖（b）分別為9：00和15：00時刻存在坡度差異的相鄰支架遮擋的情況。可見，若按照正常視日跟蹤控制，在9：00—15：00時間段內存在較長時間的陰影遮擋現象。

2"逆跟蹤控制策略

2.1"控制原理

圖4為本文所提逆跟蹤控制策略的控制原理圖，假設每排跟蹤支架可受中央控制器控制，先將各排跟蹤支架的輸出功率采集進中央控制器，經過異常跟蹤支架檢測模塊檢測出遮擋跟蹤支架和正常跟蹤支架，異常跟蹤支架采用本文所提的功率自適應逆跟蹤控制，正常跟蹤支架采用視日跟蹤控制。

2.2"異常跟蹤支架檢測

要對存在陰影遮擋現象的跟蹤支架進行逆跟蹤控制，先需要找出存在陰影遮擋現象的異常跟蹤支架。本文通過圖5所示異常跟蹤支架檢測模塊，找出遮擋跟蹤支架。

為方便描述，定義功率比為下一排支架輸出功率/當前排支架輸出功率，當功率比小于某一設定值時，認為當前排對下一排支架有遮擋作用，并規定跟蹤支架正常視日跟蹤的轉動方向為順時針方向。假設所有光伏跟蹤支架型號相同，則在同一時間、地點及跟蹤角度下，被遮擋的跟蹤支架發電功率較其他未被遮擋的跟蹤支架會有所降低，那么根據功率比的大小即可判斷跟蹤支架是否出現遮擋現象。

先獲取當前排支架與下一排支架的輸出功率。下一排支架的位置如下：上午時，下一排跟蹤支架位于當前排跟蹤支架的西側相鄰位置；下午時，下一排跟蹤支架位于當前排跟蹤支架的東側相鄰位置。接著判斷功率比是否小于設定值，若小于，則認為當前排跟蹤支架遮擋了下一排跟蹤支架，將當前排跟蹤支架標記為遮擋跟蹤支架。

對于設定值的給定如下：若在理想條件下，同一時間、地點及跟蹤角度下所有跟蹤支架的輸出功率相等，則該設定值可設為1。當一天中某時段功率比小于1時，則可認為當前排支架對下一排支架有遮擋作用。若考慮實際情況下無法做到所有跟蹤支架的參數完全一樣，以及其他可能的影響因素，該設定值就需考慮一定的誤差，此時可結合實際自行設定。例如，同一時間、地點及跟蹤角度下各跟蹤支架間的輸出功率存在5%的誤差，則設定值可設為0.95，當一天中某時段功率比小于095時，可認為當前排支架對下一排支架有遮擋作用。

2.3"功率自適應逆跟蹤控制方法

一種復雜地勢的斜單軸光伏跟蹤支架逆跟蹤控制方法如圖6所示。先通過異常跟蹤支架檢測模塊檢測出遮擋支架，然后通過逆跟蹤控制對遮擋支架與被遮擋支架進行控制，使其在預設時間9：00—15：00內相鄰支架互不遮擋，因此，光伏支架跟蹤起始和結束時間為9：00和15：00。

對于異常跟蹤支架檢測模塊檢測出的遮擋支架，由于上午和下午出現遮擋現象的情況有所不同，所以對應時間段的逆跟蹤控制方法有所不同。上午預設控制時間開始時，若系統檢測到存在遮擋支架，將遮擋支架與下一排被遮擋支架同時順時針轉動至功率比大于等于設定值為止，此時遮擋現象消失。隨著時間的推移，太陽高度角會不斷增大，為使太陽入射角盡可能大，以增加發電功率，需進行逆跟蹤控制，即當功率比大于等于設定值，將兩者同時逆時針轉動至功率比小于設定值時停止轉動，此時剛好是處于遮擋與不遮擋的臨界角度。如此反復，直至遮擋支架的跟蹤角度與正常支架相等時退出逆跟蹤控制，回到正常的視日跟蹤控制。下午當系統檢測到存在遮擋支架時，將遮擋支架與被遮擋支架同時逆時針轉動，直至功率比大于設定值，此時遮擋現象消失。隨著時間推移，遮擋現象再次出現時，再次執行逆跟蹤控制，如此反復，直至到達預設結束時間。

2.4"不同時間段下逆跟蹤控制情況

2.4.1"上午時間段

9：00時，地勢較高的跟蹤支架會出現如圖7中（a）所示的情況，此時西側的跟蹤支架存在陰影遮擋，經異常跟蹤支架檢測后，對遮擋支架和被遮擋支架同時進行控制，兩者順時針旋轉至不發生遮擋現象，結果如圖7中（b）所示。隨著時間的推移，太陽高度角會不斷增大，為使太陽入射角盡可能大以增加發電功率，則當功率比大于等于設定值時，對兩者同時進行逆跟蹤控制，使其兩者逆時針旋轉，直到功率比小于設定值時停止。控制前后如圖8所示，圖8中（a）所示的情況會變成附圖8中（b）所示的情況，此時會出現略微遮擋。隨著太陽高度角增大，這部分陰影會逐漸消失，該過程持續時間不會很長，所以忽略略微的遮擋帶來的影響。以此實現跟蹤支架在逆跟蹤控制下的最大太陽入射角。

接著將當前排支架跟蹤角度是否與正常支架的跟蹤角度相等作為是否退出逆跟蹤控制恢復視日跟蹤控制的依據，如果否，則繼續。如圖9所示，此時當前排支架跟蹤角度與正常支架跟蹤角度相等，在此刻過后太陽高度角增加，當前排支架不再會對下一排支架產生陰影遮擋，則兩者回到正常的視日跟蹤控制。

2.4.2"下午時間段

當功率比小于設定值時，如圖10所示，此時東側的跟蹤支架存在陰影遮擋，經異常跟蹤支架檢測后，對遮擋支架和被遮擋支架進行控制，同時進行逆跟蹤控制，使兩者逆時針旋轉，直到功率比設定值時停止。此時圖10中（a）所示的情況會變成圖10中（b）所示的情況，隨著時間推移，太陽高度角減小，下一排支架會再次出現的陰影，則下一排支架輸出功率減小，繼續進行逆跟蹤控制后，這部分陰影會消失，如此反復，以此實現跟蹤支架的無遮擋跟蹤控制。當時間超過真太陽時，停止逆跟蹤。

結語

本文針對復雜地勢下斜單軸光伏跟蹤支架進行研究，介紹了復雜地勢下跟蹤支架間存在的遮擋現象及原因，并提出對異常跟蹤支架檢測方法檢測出來的遮擋支架通過功率自適應逆跟蹤控制，對遮擋支架與被遮擋支架進行控制，尋找到無陰影遮擋的最佳角度的方法，解決了復雜地勢下斜單軸跟蹤支架間存在的遮擋問題，最后介紹說明了本方法具體的控制過程，以期為相關研究人員提供借鑒。

參考文獻：

［1］高峰，孫成權，劉全根.太陽能開發利用的現狀及發展趨勢［J］.世界科技研究與發展，2001（04）：3539.

［2］中華人民共和國住房和城鄉建設部.光伏發電站設計規范：GB"507972012［S］.北京：中國計劃出版社，2012.

［3］李澤.局部陰影下光伏電池最大功率點跟蹤方法研究［D］.長春：吉林大學，2021.

［4］王海波.光伏發電系統增加單軸跟蹤裝置的經濟性分析［J］.能源工程，2012（04）：6265.

［5］張永興.單軸太陽能跟蹤系統設計［J］.光電技術應用，2010，25（04）：5861.

［6］PONNIRAN"A，HASHIM"A，JORET"A.A"Design"of"Low"Power"Single"Axis"Solar"Tracking"System"Regardless"of"Motor"Speed［J］.International"Journal"of"Integrated"Engineering，2011，3（2）：59.

［7］楊康，張劍鋼，李景天，等.新型太陽能單軸跟蹤系統的設計［J］.云南師范大學學報（自然科學版），2014，34（05）：2124.

［8］王曄.光伏支架的設計選型及經濟性分析［J］.建筑技術開發，2016，43（05）：31+41.

基金項目：福建棉花灘水電開發有限公司科技項目（CHDKJ230402356）

作者簡介：陳毅鋒（1986—"），男，漢族，福建漳州人，本科，工程師，研究方向：水電站運行維護管理。