摘要：本文提出了一種經(jīng)濟(jì)型太陽能光伏發(fā)電追日跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并將實(shí)測(cè)發(fā)電數(shù)據(jù)與固定式發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比分析，為大型光伏發(fā)電企業(yè)采用此追日光伏發(fā)電跟蹤控制系統(tǒng)提供了可行性依據(jù)。經(jīng)運(yùn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，安全經(jīng)濟(jì)，控制靈活，大大提高太陽能光伏發(fā)電新能源企業(yè)的生產(chǎn)效益。

關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電系統(tǒng),追日跟蹤,PLC

引言

隨著光伏發(fā)電成本下降，如何獲得最高的投資收益率成為了各大投資發(fā)電企業(yè)的關(guān)注重點(diǎn)。光伏發(fā)電的原理是太陽能電池組件吸收太陽光輻射，將太陽能轉(zhuǎn)化為電能輸出，而輸出的電能與太陽能電池組件吸收的太陽能輻射成正比，當(dāng)太陽能電池組件垂直與太陽光入射角時(shí)所吸收的太陽能輻射最大，發(fā)電效率最高。光伏發(fā)電的形式分為固定式及跟蹤式，而跟蹤式光伏發(fā)電是獲得更高發(fā)電量的途徑，并且通過優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)械結(jié)構(gòu)可以大大降低跟蹤系統(tǒng)的成本，使其具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固定式光伏發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力。

1跟蹤控制方式分類跟蹤式光伏發(fā)電中常見的跟蹤裝置的控制系統(tǒng)主要分為：光強(qiáng)跟蹤方式、時(shí)角跟蹤方式、用戶程序跟蹤方式；而跟蹤支架主要分為單軸跟蹤及雙軸跟蹤。

光強(qiáng)跟蹤方式：主要采用閉環(huán)控制，多利用光強(qiáng)傳感器來檢測(cè)太陽光線與太陽能電池組件平面入射角的偏差，當(dāng)偏差超過設(shè)定閾值時(shí)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)來減小光線偏差，直到太陽光線與太陽能電池組件平面垂直來實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽能高度角及方位角的跟蹤。根據(jù)光強(qiáng)傳感器的精度和類型，可以應(yīng)用于單軸跟蹤及雙軸跟蹤形式的光伏發(fā)電系統(tǒng)中。

時(shí)間跟蹤方式：多應(yīng)用于單軸跟蹤系統(tǒng)，是一個(gè)預(yù)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)跟蹤，即以地球自轉(zhuǎn)一周24h為周期，而太陽運(yùn)動(dòng)的時(shí)角是自東向西勻速變化的，正好為24h一周的時(shí)鐘，故也稱為時(shí)角跟蹤。

用戶程序跟蹤方式：這種跟蹤方式主要是使用控制器，可根據(jù)用戶的特殊要求編制符合控制要求的控制程序。例如，可以通過位置傳感器的反饋，結(jié)合跟蹤支架的仰角（傾角）實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽位置的跟蹤以求達(dá)到太陽能電池組件獲得最大的輻射量。

2微傾角單軸智能聯(lián)動(dòng)光伏跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

微傾角單軸智能聯(lián)動(dòng)光伏跟蹤支架以微傾角（12°），一個(gè)電機(jī)拖動(dòng)多個(gè)支架的形式安裝。采用此種方式，是追求經(jīng)濟(jì)與實(shí)用性能相結(jié)合，經(jīng)過理論計(jì)算得到產(chǎn)出與投入比最高的途徑。根據(jù)支架的特點(diǎn)及工程安裝的要求，實(shí)際工程控制中采用用戶程序跟蹤方式，控制流程如圖1所示。

圖1追日控制流程

如圖所示，跟蹤支架的跟蹤以水平位置為起點(diǎn)，啟動(dòng)控制系統(tǒng)的“東啟模式”——在當(dāng)?shù)靥柹鸷箢A(yù)設(shè)的時(shí)間段內(nèi)采用相同時(shí)間間隔啟動(dòng)電機(jī)至設(shè)定的跟蹤點(diǎn)；當(dāng)東啟的預(yù)設(shè)時(shí)間結(jié)束后，支架將從跟蹤點(diǎn)開始進(jìn)入“正常跟蹤模式”——根據(jù)計(jì)算控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使得跟蹤太陽入射光線始終落于微傾角法向平面內(nèi)；當(dāng)?shù)竭_(dá)日落前的預(yù)設(shè)時(shí)間段內(nèi)，系統(tǒng)啟動(dòng)“夜返模式”——跟蹤太陽落下前的遮擋回旋支架以獲得最大的余光提高電站的日發(fā)電量。同時(shí)，整個(gè)控制系統(tǒng)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電站風(fēng)速，當(dāng)電站環(huán)境風(fēng)速高于設(shè)定安全閾值時(shí)將調(diào)平支架，確保安全，當(dāng)風(fēng)速小于一定值時(shí)重新進(jìn)入跟蹤狀態(tài)。

2.112°微傾角跟蹤裝置的跟蹤角的計(jì)算

根據(jù)用戶跟蹤裝置所選擇的12°傾角單軸跟蹤方式計(jì)算跟蹤角ρt與支架傾角βt、太陽高度角αs及方位角γs的關(guān)系式如下：

2.2單控制器結(jié)構(gòu)

整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)僅由PLC控制器及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層構(gòu)成。

跟蹤支架定位儀表——角位移傳感器與控制器連接，控制器連接現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（比如現(xiàn)場(chǎng)的點(diǎn)擊，各種傳感器，智能儀表以及開關(guān)量等），起到對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備自動(dòng)控制的作用。

2.3控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.3.1控制單元

選擇ABB公司AC500系列PLC的PM581-ETHCPU模塊作為過程控制的中心控制單元。該CPU已含集成的裝載存儲(chǔ)器，用于保存用戶程序和數(shù)據(jù)。

2.3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)

單臺(tái)試驗(yàn)樣機(jī)采用單臺(tái)電動(dòng)推桿，通過鋼絲繩柔性連接方式，同時(shí)對(duì)三臺(tái)跟蹤支架進(jìn)行同步拖動(dòng)，并設(shè)置其抗風(fēng)等級(jí)為7級(jí)。

2.4控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的編程軟件采用ABB公司的AutomationBuilderPS501V2.3版本。采用通俗易懂的梯形法及模塊化編制控制程序，即將復(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)分解成可以圖形化程序語言，由相應(yīng)的程序塊來執(zhí)行，程序運(yùn)行時(shí)所需的大量數(shù)據(jù)和變量存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)塊中，通過各程序模塊之間的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，過程控制和保護(hù)等復(fù)雜的控制算法。

3跟蹤系統(tǒng)發(fā)電效率分析與創(chuàng)新

3.1實(shí)驗(yàn)樣機(jī)數(shù)據(jù)采集分析

（1）測(cè)試條件

選用相同規(guī)格型號(hào)相同廠家的230W多晶硅太陽能電池組件及同一廠家逆變器，在相同裝機(jī)容量（1150W）的前提下，其中一組采用8°單軸跟蹤方式，一組采用35°傾角的固定安裝方式。

（2）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄

在春分日左右，即取2011年3-22日-24日兩種支架安裝方式的最優(yōu)發(fā)電功率曲線進(jìn)行比較，如圖2所示。

圖2春分前后跟蹤支架與固定支最大發(fā)電功率曲線

圖32011年5月23日跟蹤支架與固定支最大發(fā)電功率曲線

（3）結(jié)論與分析

由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)記錄可知：

①在春分日左右的中午時(shí)分，固定式逆變器的功率輸出略高于跟蹤式逆變器，但前者當(dāng)日當(dāng)量小時(shí)小于后者，即相同裝機(jī)容量下，跟蹤方式的發(fā)電量要高于固定支架所發(fā)電量。

隨著日照時(shí)間的增加，跟蹤發(fā)電曲線的峰值功率也將隨之增加，在光照強(qiáng)度足夠的情況下，跟蹤發(fā)電曲線的峰值功率將持平甚至超過固定發(fā)電曲線的峰值功率，如圖3所示。

②跟蹤方式下的發(fā)電曲線更為穩(wěn)定平和，更適應(yīng)于電網(wǎng)的入網(wǎng)要求，對(duì)電網(wǎng)的沖擊影響緩于固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電效率優(yōu)。

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新

國(guó)內(nèi)外采用的追日跟蹤方式多為實(shí)時(shí)定位追蹤或者為時(shí)控追蹤方式，這兩種的方式缺點(diǎn)在于日出日落前兩個(gè)小時(shí)內(nèi)，由于跟蹤角度過大，如果受到場(chǎng)地大小制約，那么朝東或朝西的支架將幾乎遮擋身后的支架，這樣如果是在大型電站中，這一部分時(shí)間的光照將完全達(dá)不到逆變器啟動(dòng)發(fā)電的條件。為了更好利用這四個(gè)小時(shí)的光照條件，使日照利用率提高，將控制模式增加?xùn)|啟階段及日落階段兩個(gè)模式，這兩個(gè)模式采用非實(shí)時(shí)定位追蹤，而是根據(jù)不遮擋原則，采用間歇性啟動(dòng)或者夜返，這樣能夠更充分的利用好日照時(shí)間長(zhǎng)的日子里的太陽輻射，增加發(fā)電量，提高收益率。

4結(jié)束語

現(xiàn)代光伏技術(shù)的迅猛發(fā)展，為電網(wǎng)的發(fā)展帶來了新的技術(shù)和挑戰(zhàn)。采用基于PLC控制的微傾角斜單軸追日跟蹤控制系統(tǒng)，為提高光伏電站的發(fā)電效率及收益提供了更加靈活、可靠的解決方案，有效地提高了能源發(fā)電系統(tǒng)之間智能化管理問題。

該控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已經(jīng)在寧夏某大型跟蹤光伏電站得到成功運(yùn)用。實(shí)踐證明：系統(tǒng)構(gòu)建方便可靠，不依賴光照度監(jiān)測(cè)設(shè)備，運(yùn)行可靠性高，真正實(shí)現(xiàn)低碳效應(yīng)，顯著提高了生產(chǎn)可靠性和新能源發(fā)電企業(yè)綜合自動(dòng)化水平，效益具有明顯提高。

參考文獻(xiàn)

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