大型光伏電站太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳 沖，姜春寶，耿曉明

(1.重慶川儀股份有限公司，重慶 400700；2.中華人民共和國(guó)惠州海關(guān)，廣東 惠州 516006)

0 引言

光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的主要形式之一，在全球得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，光伏發(fā)電系統(tǒng)多采用固定安裝方式，但由于太陽(yáng)能存在光照間歇性和方向周期變化的特點(diǎn)，導(dǎo)致太陽(yáng)能發(fā)電效率不高[2]。另外，光伏電站所處的氣候環(huán)境各異，在設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮抵御各種自然災(zāi)害(如大風(fēng)、大雪、揚(yáng)塵等)。本文通過(guò)對(duì)光伏發(fā)電自動(dòng)追蹤系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行綜合分析，設(shè)計(jì)了一種基于視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤的平單軸太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)，在有效提升發(fā)電效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了低成本控制和提升光伏電站的氣候適應(yīng)能力。

1 光伏電站自動(dòng)追蹤技術(shù)發(fā)展概述

比較常見(jiàn)的太陽(yáng)能自動(dòng)追蹤方式有光電檢測(cè)追蹤和視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤[3]。

光電檢測(cè)追蹤[4]是一種閉環(huán)的隨機(jī)系統(tǒng)，主要利用光敏傳感器對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行檢測(cè)，控制伺服系統(tǒng)動(dòng)作，調(diào)整角度使追蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，完成追蹤[5]。光電檢測(cè)追蹤的優(yōu)點(diǎn)是追蹤靈敏度高、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是受天氣等影響比較大，可能會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作。

視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤[6]是一種開(kāi)環(huán)的程控系統(tǒng)，基于當(dāng)前時(shí)間和當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度計(jì)算太陽(yáng)的高度角、方位角等信息，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行追蹤[7]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是追蹤與太陽(yáng)光線強(qiáng)度無(wú)關(guān)，不受天氣、灰塵覆蓋等影響，但精度沒(méi)有光電追蹤高。光伏電站追蹤系統(tǒng)根據(jù)軸數(shù)可分為單軸和雙軸[8]兩種。單軸追蹤的入射光線不能始終與主光軸平行，會(huì)導(dǎo)致發(fā)電效率偏低，但由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而比較常用。單軸跟蹤系統(tǒng)根據(jù)轉(zhuǎn)軸的方位可以分為平單軸跟蹤、傾斜單軸跟蹤和豎直單軸跟蹤三種。其中，平單軸跟蹤系統(tǒng)主要針對(duì)大型電站建設(shè)，性價(jià)比較高，廣泛應(yīng)用于低緯度地區(qū)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是只需采用一套驅(qū)動(dòng)裝置和控制器就可以使整個(gè)陣列實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤，采用聯(lián)動(dòng)式結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)可靠性高，維護(hù)成本低，同時(shí)能夠?qū)Ω鞣N天氣(雨、雪、大風(fēng)等)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和保護(hù)。

本文主要針對(duì)大型光伏電站，從發(fā)電效率、安裝成本、日常維護(hù)等因素綜合考慮，采用平單軸跟蹤系統(tǒng)。同時(shí)，采用集中控制的方式，由控制主站統(tǒng)一完成工作模式判斷、光伏板角度計(jì)算等工作，發(fā)送控制指令到每個(gè)分站執(zhí)行，從而有效降低控制系統(tǒng)成本。

2 自動(dòng)追蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 太陽(yáng)自動(dòng)追蹤系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.1 The architecture diagram of solar automatic tracking system

每個(gè)光伏電站由一個(gè)集中控制主站和若干個(gè)控制分站構(gòu)成。

集中控制主站是整個(gè)光伏電站的控制中心。上行通信連接至互聯(lián)網(wǎng)，可以進(jìn)行光伏電站遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)查詢等工作。下行通信通過(guò)433 MB頻段的無(wú)線通信連接至若干個(gè)控制分站，主站與分站之間的通信協(xié)議使用成熟的Modbus RTU協(xié)議棧?？刂浦行募扇蚨ㄎ幌到y(tǒng)(global positioning system,GPS)模塊、照度、風(fēng)速風(fēng)向、積雪厚度、雨量等傳感器，用于計(jì)算和判斷當(dāng)前控制模式，并周期下發(fā)至控制分站，同時(shí)完成分站定時(shí)巡檢、發(fā)電量統(tǒng)計(jì)等工作?？刂品终居糜谕ㄟ^(guò)無(wú)線通信接收主站發(fā)送的控制指令，驅(qū)動(dòng)電機(jī)完成光伏板的角度調(diào)節(jié)，同時(shí)反饋光伏板的角度、工作狀態(tài)等信息。

2.2 主要算法及工作模式

①太陽(yáng)追蹤算法。

正常的太陽(yáng)追蹤算法是通過(guò)周期性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)的角度，保持太陽(yáng)能電池板與太陽(yáng)照射方向垂直。角度通過(guò)計(jì)算太陽(yáng)的高度角和方位角獲得[9]。

太陽(yáng)高度角α和方位角β的計(jì)算公式為：

α=arcsin(sinq×sinr+cosq×cosr×cost)

(1)

(2)

式中：q為當(dāng)?shù)氐木暥?，可由GPS設(shè)備獲得；t為太陽(yáng)時(shí)角，等于當(dāng)時(shí)的時(shí)間與中午12點(diǎn)的小時(shí)數(shù)差值乘以15°；r為太陽(yáng)赤道緯度角。

r的計(jì)算公式為：

(3)

式中:T為當(dāng)年的天數(shù)，即從當(dāng)年1月1日算起，計(jì)算到當(dāng)時(shí)的天數(shù)。

②逆向跟蹤陰影躲避算法。

逆向跟蹤示意圖如圖2所示。

在早晨和傍晚時(shí)，由于太陽(yáng)光線與地面夾角較小，當(dāng)光伏陣列的間距比較小時(shí)，會(huì)在相鄰組件上留下陰影，如圖 2(a)所示。這將降低發(fā)電效率，并且可能導(dǎo)致光伏模塊產(chǎn)生熱斑效應(yīng)而縮短壽命。因此，可以通過(guò)逆向跟蹤算法來(lái)消除陰影遮擋的影響。

圖2 逆向跟蹤示意圖Fig.2 Reverse tracking diagram

此時(shí)，需要調(diào)節(jié)光伏板角度，避免遮擋臨排光伏組件。已知θ、L、W，求夾角γ：

(4)

③主要工作模式。

工作模式即光伏板角度的調(diào)節(jié)方式，按控制方式分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式下，由操作員手動(dòng)控制光伏板角度；自動(dòng)模式下，由主控站根據(jù)實(shí)際情況自動(dòng)判斷當(dāng)前的運(yùn)行模式。自動(dòng)模式分為正常追蹤模式、逆向跟蹤模式、夜間模式、陰天模式、大風(fēng)保護(hù)模式、積雪模式和清洗模式等。

在正常情況下，白天運(yùn)行正常追蹤模式，早晚運(yùn)行逆向跟蹤模式。若檢測(cè)到風(fēng)速超過(guò)一定閾值，且風(fēng)向基本與軸向垂直，則進(jìn)入大風(fēng)保護(hù)模式，中間一排水平，兩邊成八字形，降低光伏板風(fēng)阻。當(dāng)檢測(cè)到光伏板上積雪厚度(通過(guò)物位計(jì)檢測(cè))超過(guò)3 cm或大雨時(shí)，進(jìn)入積雪模式或清洗模式，光伏板呈最大傾角放置。

2.3 主控站設(shè)計(jì)

主控站的控制算法和數(shù)據(jù)處理采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)，外接UM402無(wú)線通信透?jìng)髂K、GPS模塊、照度、風(fēng)速風(fēng)向、積雪厚度、雨量、電量統(tǒng)計(jì)等傳感器。其中，GPS模塊用于獲取經(jīng)緯度和時(shí)間，照度、風(fēng)速風(fēng)向、積雪厚度和雪量傳感器等用于綜合判斷當(dāng)前氣候情況。主控站周期性地通過(guò)時(shí)間、經(jīng)緯度地理信息和氣候情況確定當(dāng)前控制模式，根據(jù)控制模式計(jì)算光伏板的角度，并將時(shí)間、角度等數(shù)據(jù)下發(fā)至控制子站。

控制模式判斷流程如圖 3所示。

圖3 控制模式判斷流程圖Fig.3 Control mode calculating flow chart

控制模式由控制條件和執(zhí)行內(nèi)容組成?？刂茥l件即控制模式成立的判斷邏輯，執(zhí)行內(nèi)容即各控制子站光伏板的角度。用戶可以對(duì)每個(gè)模式下各子站光伏板的位置進(jìn)行設(shè)定，同一時(shí)刻只能有一種控制模式執(zhí)行。主控站軟件默認(rèn)集成了正常追蹤、逆向跟蹤、夜間模式、大風(fēng)保護(hù)和清洗等模式。用戶可以選擇是否啟用除正常追蹤以外的模式，也可以通過(guò)腳本添加或編輯自定義用戶模式。

除此之外，主控站軟件還完成用戶手動(dòng)操作、子站分別控制和數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示等工作。

2.4 控制子站設(shè)計(jì)

控制子站的通信、電機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集處理采用Microchip的PIC18F45單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。光伏板的角度控制采用無(wú)刷直流電機(jī)，位置傳感器采用霍爾元件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)單片機(jī)接收到控制子站的光伏板角度控制指令后，計(jì)算目標(biāo)電機(jī)位置，并結(jié)合當(dāng)前的電機(jī)角度位置控制電機(jī)動(dòng)作?？刂谱诱镜目刂浦С直镜夭僮骱瓦h(yuǎn)程操作。

3 應(yīng)用情況

該系統(tǒng)研發(fā)完成后，為便于調(diào)試和進(jìn)行自動(dòng)追日系統(tǒng)的對(duì)比測(cè)試，在公司生產(chǎn)大樓屋頂(地理坐標(biāo)：106.499 13,29.619 268)建設(shè)了兩套試驗(yàn)測(cè)試裝置，分別采用固定安裝和平單軸追日系統(tǒng)，發(fā)電功率均為26.4 kW。

兩套光伏發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)比測(cè)試和統(tǒng)計(jì)，并在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)平單軸追日系統(tǒng)算法進(jìn)行優(yōu)化。圖4為一天中發(fā)電功率和光伏板傾角位置等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖。

圖4 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)趨勢(shì)圖Fig.4 Trend chart of real-time data

表1為2017年4月12日～2017年5月14日的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表，不含雨天。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，發(fā)電效率較固定安裝平均提升26.30%(去除陰雨天)。

表1 測(cè)試裝置發(fā)電量統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Power generation statistics of test device

控制方案優(yōu)化后，該套追日系統(tǒng)成功在赤峰金色能源100 MWp裝機(jī)容量光伏電站項(xiàng)目中的10 MWp電站安裝并應(yīng)用。該電站采用南北安裝、東西追蹤的方式進(jìn)行太陽(yáng)跟蹤，每個(gè)控制子站用一個(gè)電機(jī)控制，轉(zhuǎn)動(dòng)軸長(zhǎng)90 m，控制精度小于1°。該項(xiàng)目至今運(yùn)行良好。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，相對(duì)于固定安裝的光伏發(fā)電系統(tǒng)，應(yīng)用該追日系統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的總發(fā)電量提升25%。同時(shí)，氣象檢測(cè)和不同運(yùn)行模式的應(yīng)用也提升了光伏電站的氣候耐受性，降低了維護(hù)成本。

4 結(jié)論

本文總結(jié)和分析了當(dāng)前用于光伏發(fā)電的太陽(yáng)追蹤方法及優(yōu)缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種用于大型光伏電站的平單軸視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤系統(tǒng)。追蹤系統(tǒng)由集中控制主站和若干控制分站構(gòu)成，集中控制主站集成GPS、氣象檢測(cè)傳感器和光照度傳感器等；根據(jù)控制策略確定當(dāng)前的工作模式，包括正常跟蹤模式、逆向跟蹤陰影躲避模式、積雪模式、大風(fēng)保護(hù)模式、清洗模式等；計(jì)算光伏板位置，通過(guò)無(wú)線通信發(fā)送控制指令至每個(gè)控制分站，完成光伏板的角度控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。

根據(jù)控制方案，設(shè)計(jì)并安裝屋頂測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)比試驗(yàn)和性能跟蹤，對(duì)控制算法進(jìn)行優(yōu)化。該追日系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實(shí)際光伏電站，至今運(yùn)行狀態(tài)良好。相對(duì)于固定安裝系統(tǒng)，其成本增加不到1%，平均發(fā)電效率提高達(dá)25%以上，抵抗大風(fēng)、雨雪等災(zāi)害天氣的能力也大大增強(qiáng)。