照射方向自動跟蹤

照射方向自動跟蹤是用來減小太陽光照射光伏電池板表面入射角的技術。該技術的目的在於實時保證陽光垂直入射光伏表面，使其獲得更大的輸出功率，從而提高光伏發電系統的發電量，提高太陽能利用效率。目前光伏照射方向自動追蹤技術中最典型的三種分別是視日運動軌跡追蹤、光電跟蹤技術以及兩者結合的技術。在控制算法、監控系統以及群控實現的方面還需要進一步的改進。

基本介紹

• 中文名：照射方向自動跟蹤
• 外文名：Automatic irradiation tracking  
• 領域：新能源領域
• 涉及學科：自動化、控制、電氣工程

簡介

太陽能作為一種可以永續使用的綠色可再生能源，有著巨大的開發套用潛力。太陽電池方陣的發電量與陽光入射角有關，光線與太陽電池方陣平面垂直時發電量最大，改變入射角，發電量明顯下降。照射方向自動跟蹤技術是提高太陽能利用率，降低光伏發電成本的有效途徑。

照射方向自動跟蹤技術，顧名思義就是使光伏陣列隨著太陽而轉動。其目的就是保持太陽能光伏板隨時正對太陽，讓太陽光的光線隨時垂直照射到太陽能光伏板上，以提高太陽能光伏組件的發電效率。由於地球的自轉和公轉，太陽的入射角度時時刻刻都在變化，對於某一個固定地點的太陽能發電系統，只有有效的保證太陽能光伏板時刻正對太陽，發電效率才會達到最佳狀態。因而保持太陽能光伏板與太陽光垂直，使其最大化地接收太陽輻射能顯得十分重要。照射方向追蹤技術從上世紀80年起，從最簡單的單軸追蹤發展到當前多種類型，目前跟蹤技術中最典型的三種分別是視日運動軌跡追蹤、光電跟蹤技術以及兩者結合的技術。

視日運動軌跡跟蹤技術

單軸跟蹤

單軸跟蹤裝置一般採用三種方式：

單軸追蹤

(1)傾斜布置東西跟蹤；

(2)焦線南北水平布置，東西跟蹤；

(3)焦線東西水平布置，南北跟蹤。

這三種方式都是南北方向或東西方向的單軸跟蹤，工作原理基本相似。

單軸跟蹤裝置的轉軸東西方向布置。控制器計算太陽角度的變化，控制轉軸轉動，使太陽能電池板作俯仰運動，以跟蹤太陽。採用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時刻太陽光與電池板相垂直，而在早上或下午太陽光線都是斜射。採用單軸跟蹤的特點是結構簡單，但是由於入射光線不能始終與主光軸平行，收集光線的效果並不理想。

雙軸跟蹤

如果能夠同時跟蹤太陽兩個角度的變化，就能獲得更多的太陽能量，雙軸跟蹤就是根據這樣的要求而設計的。雙軸跟蹤通常可以分為兩種方式：極軸式全跟蹤和高度角-方位角式全跟蹤。

(1)極軸式全跟蹤

雙軸追蹤

極軸式全跟蹤是指聚光鏡的一軸指向地球北極，即與地球自轉軸相平行，故稱為極軸。另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。反射面繞極軸用與地球自轉角速度相同方向相反的固定轉速進行跟蹤，反射鏡按照季節時間的變化圍繞赤緯軸作俯仰運動以適應赤緯角的變化。這種跟蹤方式並不複雜，但從力學角度分析，在結構上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支撐裝置的設計比較困難。

(2)高度角-方位角全跟蹤

高度角一方位角全跟蹤建立在地平坐標系基礎上，兩軸分別為方位軸和俯仰軸，方位軸垂直於地面，俯仰軸垂直於方位軸。根據太陽角度的計算方法，工作時反射鏡根據太陽位置的理論計算值，繞方位軸轉動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變反射鏡的傾斜角，使反射鏡的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤裝置的跟蹤準確度高，而且反射鏡的重量保持在垂直軸所在的平面內，支持機構容易設計。但是在計算太陽角的過程中容易出現誤差，影響跟蹤準確度。

光電跟蹤技術

光電跟蹤是國內外常用的跟蹤方法，使用光敏管，將兩個光敏管分別置於光伏電池陣列平面的兩個點上，當太陽光線直射光伏陣列時，若光敏管將光信號轉換成電信號後的數值偏差在規定範圍內，即兩個測試點光強信號偏差很小，電機不轉動。但隨著太陽的位置發生變化，光敏管檢測到的電信號偏差逐漸增大而超出了規定範圍，經放大電路將偏差信號放大，控制跟蹤裝置產生動作而重新使光伏陣列與太陽光線保持垂直，對準太陽，完成跟蹤。光電跟蹤的優點是結構設計方便，跟蹤準確度高。但有一個缺點就是受天氣的影響較大，如果在稍長一段時間內出現烏雲遮住太陽的情況，由於沒有光照，光敏管上沒有電信號產生，導致跟蹤裝置無法對準太陽，甚至會引起執行機構的誤操作。

光電追蹤

除了採用光敏管之外，對於一個由許多塊光伏組件組成的光伏陣列，還可以直接利用陣列上兩塊輸出特性相同的光伏組件來代替光敏管，它們既可以用作光電轉換的電池，又可以用於光信號的檢測。太陽光垂直照射光伏陣列平面時，兩塊電池組件上得到太陽光的能流密度完全相同，因而產生的電流輸出也相同，此時控制方位的電機不轉動。當太陽位置發生變化時，如果兩塊光伏電池組件的輸出電流超出規定範圍，則利用偏差信號驅動電機轉動，使陣列重新對準太陽，完成跟蹤。其優點是電路結構更加簡單，省去了光敏管，且跟蹤準確度比較高，但仍然存在由天氣原因導致的無法跟蹤問題。

視日運動軌跡與光電結合跟蹤技術

視日運動跟蹤和光電跟蹤都存在一定的局限性。對於視日運動跟蹤，主要是在開始運行之前需要精確定位，太陽角度計算時容易產生誤差，且產生誤差後不能自動進行調整等，因此需要定期人為調整跟蹤裝置。而光電跟蹤經常由於天氣問題，出現不跟蹤或錯誤跟蹤的情況，特別在多雲的天氣會試圖跟蹤雲層邊緣的亮點，電機往復運動，造成了能源的浪費和部件的額外磨損。

將視日運動跟蹤和光電跟蹤相結合，互補其短，得到比較滿意的效果。在光電跟蹤的基礎上，同時設定視日運動軌跡跟蹤程式，當遇到烏雲遮擋或陰天等天氣狀況時，由於光強太小，光敏管上產生的電信號會低於設定的閾值，系統自動跳到視日運動軌跡跟蹤程式進行執行，天氣好轉後自動跳出，繼續進行光電跟蹤。為了更準確的檢測天氣狀況，也可通過檢測方陣輸出電壓低於閾值的方式判斷天氣狀況。用視日運動跟蹤彌補光電跟蹤的缺點，能在任何氣候條件下使光伏發電系統得到穩定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準確度高，工作過程穩定，可套用於許多大中型光伏發電自動跟蹤裝置。兩種跟蹤方式相結合的方法，同時將光電跟蹤方式作為主要跟蹤方式，視日運動軌跡跟蹤方式作為補充，一方面發揮了光電跟蹤的優勢，使跟蹤更加準確：另一方面在陰天等特殊天氣環境下繼續跟蹤太陽。

展望

當前的跟蹤技術以及控制系統，仍存在著不足及需要改進之處：

（1）控制算法的改進

當前採用改進型間歇跟蹤控制方法，是一種開環的控制策略，並沒有設計複雜的、智慧型的控制算法。在以後的學習工作中，應該更加深入地研究，套用更加靈活穩定的控制算法，使軟體系統更加最佳化，程式更加簡潔。

（2）監控系統的實現

跟蹤器運行狀況數據採集後台資料庫和及監控系統發展的一個關鍵技術方向就是網路技術，通過網路來實現遠程監控功能、點對點數據傳輸、網路視頻監控、遠程存儲數據等。

（3）群控系統在工程項目的實現

目前，對於多種類型跟蹤器群控效果僅實現於試驗模擬平台，工程項目中使用如盤式雙軸跟蹤系統等單種類型跟蹤器的控制，所以群控系統的可靠性還有待在今後的工程套用實踐中繼續改進和完善。

當今國際組件價格下降趨勢明顯，為了更好地提高光伏發電系統的發電效率，在考慮系統實現的過程中，必需考慮成本問題。跟蹤系統傾向於簡化機械結構，最佳化控制方式來縮減跟蹤系統成本。