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天文算法与倾角传感器反馈相结合的光伏跟踪系统设计将光伏组件和平单轴跟踪光伏支架相结合,通过相应操作可实现光伏组件的追日跟踪。在利用 GPS提供的数据的基础上,提出了一种将天文算法和倾角传感器反馈相结合的光伏跟踪系统。该系统采用闭环控制方式,在正跟踪模式的基础上引入了逆跟踪模式,还包括固定模式及手动模式,其会根据不同的状况采用不同的工作模式,并能根据不同地理位置、日期、天气来调整平单轴跟踪光伏支架的工作状态;其在正跟踪阶段时的跟踪角度误差在 ±1°以内,在早晨、傍晚及极端天气时能够避免阴影遮挡光伏组件,有助于提高光伏电站的整体经济效益。 0 引言 该光伏跟踪系统主要有正跟踪模式、逆跟踪模式、固定倾角模式和手动模式 4 种工作模式,会根据不同的情况选择不同的工作模式。 1.1 正跟踪模式 在正跟踪模式下,照射到光伏组件平面上某点的太阳直射光线应尽量与光伏组件平面垂直。而确定平单轴跟踪光伏支架上的光伏组件倾角时,需要考虑到太阳相对于光伏组件的位置,该位置可以在地平坐标系中通过天文算法计算得到 [3],计算时涉及到的参数包括赤纬角 δ、时角 ω、太阳高度角 α 和方位角 λ。 赤纬角 δ 用于表示太阳和地球中心的连线与地球赤道所在平面之间的夹角,中国气象科学研究院的研究员王炳忠曾提出一种高精度计算 δ 的方法,称作“ Wang 算法” [4]。该算法的表达式为:δ=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ –0.1712sin3θ –0.1712sin3θ-0.785cosθ+0.3656cos2θ+0.201cos3θ(1)式中, θ 为日角。θ 可表示为: 时角 ω 是指测量地所在的子午圈与太阳直射点所在的经线之间的夹角,其随时间变化而变化。ω 的计算式可表示为: 式中, ts 为测量地的真太阳时。 ts 可表示为: 式中, t0 为北京时间; J 为测量地的经度,西经时取“ +” ,东经时取“ –” ; E 为时差。 其中, E 可表示为: E=0.0028–1.9857sinθ+9.059sin2θ –7.0924cosθ – 0.6882cos2θ(5) 太阳高度角 α 是指太阳直射光线与其在水平面上投影的夹角。 α 的计算式可表示为: sinα=cosfcosωcosδ+sinfsinδ(6) 当光伏跟踪系统采用正跟踪模式时,太阳直射光线 L 在光伏组件受光面上的投影应尽量与光伏支架主梁所在轴线重合,即 L 在 ZOY 平面上的投影 L0 应尽量垂直于光伏组件,此时太阳直射光线的入射角最大,具体如图 2 所示。图中, α0为 L0 与 Y 轴的夹角。 图 2 太阳直射光线在光伏组件受光面上的投影示意图 α0 的计算式可表示为: 在正跟踪模式下, α0 与光伏组件倾角 α1 互为余角,二者的关系示意图如 3 所示。图中, α2为理论跟踪角度,其由光伏跟踪系统中的控制单元根据相应计算得到。 1.2 逆跟踪模式 由于在日出和日落时 α 的值较低,若此时光伏组件受光面仍正对着太阳直射光线,则会对其后排的光伏组件产生阴影遮挡 [5];而阴影遮挡会使光伏组件的发电量显著下降,因此需要引入逆跟踪模式,以规避阴影遮挡的情况。根据 GB50797-2012《光伏发电站设计规范》的规定,无论是固定式光伏支架还是跟踪式光伏支架,均要求所在地冬至日当天 09:00~ 15:00 时段内相邻光伏支架之间互不遮挡。由于在 09:00~ 15:00 时太阳辐照度最强,此时最好保证跟踪式光伏支架的工作模式处于正跟踪状态 [6]。由此,可计算得到相邻光伏支架东西向最小间距 D,其计算式为: D=dsinλ+Bsinα0 (12) 其中, d 可表示为: 光伏跟踪系统采用逆跟踪模式后, α0 与 α1不再互为余角,正跟踪模式下的算法不再适用于此时的平单轴跟踪光伏支架,需要单独计算此种模式下的光伏组件倾角 α1′,其示意图如图 4 所示。 1) 阴雨天气时。由于晴天时太阳辐照度对光伏组件发电量的影响较大,因此可以根据所在地太阳辐照度情况来适时调整平单轴跟踪光伏支架的工作状态。但阴雨天气时,由于太阳辐照度随时间变化的趋势不明显且此时的太阳散射光对光伏组件发电量的影响较大,因此若此时光伏支架仍保持晴天时跟踪太阳直射光的状态,随着太阳方位而转动,会额外增加其电机的电量消耗。综上分析,在连续阴雨天气时,光伏跟踪系统会通过远程控制系统将此时的理论跟踪角度固定在185°并停止追日跟踪。 2) 光伏组件清洗时。灰尘覆盖会对光伏组件性能产生较大影响,当光伏组件上覆盖的灰尘量达到 12.64 g/m2 时,其相对发电量将会下降20% 左右 [7]。由于光伏电站中光伏组件的尺寸较大,因此为了方便光伏组件清洗,此时光伏跟踪系统采用固定倾角模式,将理论跟踪角度固定在135°。虽然在组件清洗前需要检测是否存在风速异常的情况,但在组件清洗时光伏跟踪系统不需要启用计时恢复功能。 4) 光伏支架处于防雪状态时。由于大雪时容易出现积雪压塌光伏组件及支架结构的情况,而且积雪不融化或在光伏组件表面化霜结冰会严重影响光伏组件的工作状态。因此,在大雪或易积雪天气时光伏跟踪系统的理论跟踪角度会保持135°不变,使大雪不易积累在光伏组件表面。大雪天气时常伴随大风,在光伏支架进入防雪状态前,应先检测风速是否存在异常,若无异常则光伏支架会根据上位机指令进入防雪状态。 5) 光伏支架处于夜间状态时。根据天文算法可得到所在地不同时刻的 α 值,当傍晚 α≤ 0°时,光伏支架进入夜间状态,光伏跟踪系统采取固定倾角模式,理论跟踪角度固定为 185°;而当早晨α>0°时,则进入跟踪模式。 1.4 手动模式 2 硬件电路的设计 该光伏跟踪系统的硬件电路基于 STM32 单片机进行设计,硬件电路主要由电源单元、通信板、控制单元、电机、驱动单元等几大部分组成 [9]。其中,通信板用于采集 GPS 提供的数据及风速风向仪测得的数据等信息,并将数据处理后传送给控制单元,控制单元通过相应计算得出理论跟踪角度,并将该角度与倾角传感器反馈的实际跟踪角度进行对比。为完善该光伏跟踪系统的功能,通信板还包括了可进行防雪、组件清洗等操作的按钮,控制单元还包括启用手动模式时的按钮、时钟芯片等部件。硬件电路的框架图如图 5 所示。 控制单元采用意法半导体集团生产的STM32F0x 芯片,负责对GPS、倾角传感器、风速风向仪等反馈的数据进行采集、分析及计算。STM32F0x系列产品基于超低功耗的ARM Cortex-M0处理器内核,因运行高速、低成本、低功耗的特点被广泛应用于经济型控制系统。 采用单片机内部时钟时,内部时钟会受到外部晶振的影响,而环境温度对外部晶振的影响较大,最终导致内部时钟的时间存在一定的误差。因此在设计该光伏跟踪系统时,额外增加了高精度时钟芯片 DS3231,该芯片内部含有集成的温度补偿晶体振荡器,具有较强的适应外部环境温度变化的能力。此外,备用电池可为此时钟芯片提供断电后的续航,时钟中的存储芯片可以存储断电后的时间信息,从而保证了光伏跟踪系统恢复工作后时间上的连续性。 整个电路系统要求电源单元为其提供大小合适且稳定的电力。比如,通过外部的 AC/DC 电源单元将 220 V 交流电转变为 24 V 直流电后,可通过 LM2596 开关型集成稳压芯片和隔离电源获得 +5 V 的输出电压,通过 SPX1117 型低压差稳压芯片可获得 3.3 V 的输出电压,然后分别为不同电压要求的芯片组件供电。此外,该控制单元通过 H 桥电路控制驱动电机正向和反向运行 [10],并且利用驱动芯片监测电机的电流。 3 实验数据测试与分析 通过上述公式可计算得到一天之中光伏跟踪系统采用有逆跟踪模式和无逆跟踪模式时的理论跟踪角度。计算时的时间取 2019 年 5 月 7 日,地点选为江苏省张家港市 (120°E, 31°N),光伏组件宽度为 1.2 m,相邻光伏支架东西向最小间距取 2.5 m。绘制时刻 - 理论跟踪角度曲线图。 在无逆跟踪模式下,日出 (05:20)后理论跟踪角度由夜间状态时的 180°转变为 90°左右,这说明跟踪系统采用了正跟踪模式,此时光伏组件受光面正对着太阳直射光;然后随着时间的变化,日落 (18:40) 后,理论跟踪角度固定为 185°,这说明光伏支架再次进入夜间状态。在有逆跟踪模式下,日出 (05:20) 后,跟踪系统经过短暂的调整阶段后在 05:25~ 07:35 时进入逆跟踪模式,之后由于控制单元和限位组件对光伏组件进行了限位保护,理论跟踪角度达到 135°时保持静止,因此出现一段平滑直线;在 08:45~15:00 之间时,理论跟踪角度值呈线性变化并升至最大值,这表明此时跟踪系统采用了正跟踪模式;在 15:00~ 16:20,同样由于限位保护的原因,理论跟踪角度保持在 225°,随后,跟踪系统再次经过一段时间的逆跟踪模式后,理论跟踪角度降至185°,光伏支架进入夜间状态。 为验证光伏跟踪系统的控制单元在带负载运行时的可靠性,在江苏省张家港市 (120°E,31°N) 某科技园户外实验区进行光伏跟踪系统采用有逆跟踪模式时控制单元的带负载实地测试,并对光伏跟踪系统的实际跟踪角度进行了统计。测试日期为 2019 年 5 月 7 日,光伏组件的宽度为 1.2 m,相邻光伏支架的东西向最小间距为 2.5m。测试当天光伏跟踪系统的时刻 - 实际跟踪角度曲线如图 7 所示。 将光伏跟踪系统采用有逆跟踪模式时的实际跟踪角度与理论跟踪角度进行对比,并绘制相对于理论跟踪角度而言,实际跟踪角度的角度误差柱状图,如图 8 所示。由图 8 可知,逆跟踪阶段 (05:20~ 07:30 和 16:25~ 18:35) 的实际跟踪角度与理论跟踪角度的跟踪角度误差范围在 ±3°,正跟踪阶段 (07:30~ 16:25) 的跟踪角度误差范围在±1°之内,符合《太阳能光伏发电系统用对日单轴跟踪系统标准概要》中跟踪精度在 ±10°以内的设计要求。 产生跟踪角度误差的原因主要有:电动推杆调整的过程需要耗费时间,此时的理论跟踪角度也在实时变化,导致跟踪角度误差较大;带负载运行时或存在风荷载时均会对光伏支架结构产生细微影响,甚至会使光伏支架发生微小抖动;传感器及测量工具在安装和测量时人为造成的误差。 4 结论 参考文献 [1] 龙哲华 , 汪金辉 , 彭晓宏 , 等 . 北斗 /GPS 双模定位系统协议解析算法研究 [J]. 现代电子技术 , 2016, 39(1): 6 - 8. [2] 卢国杰 . 基于 GPS 的太阳跟踪控制系统研究 [D]. 北京 :华北电力大学 , 2013. [3] 朱国栋 , 王成龙 , 马军 , 等 . 一种高精度太阳跟踪控制装置研究 [J]. 传感技术学报 , 2018, 31(6): 830 - 835. [4] 张震 , 陈昕 , 韩学栋 . 平单轴跟踪系统的阴影规避技术仿真研究 [J]. 电工技术 , 2018(23): 17 - 20. [5] 王士涛 . 基于逆跟踪技术的太阳能跟踪系统及应用研究 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学 , 2016. [6] 官燕玲 , 张豪 , 闫旭洲 , 等 . 灰尘覆盖对光伏组件性能影响的原位实验研究 [J]. 太阳能学报 , 2016, 37(8): 1944 - 1950. [7] 沈妍 , 王琪 , 康晓慷 , 等 . 太阳能光伏板阵列体型系数和最优展平角模拟 [J]. 特种结构 , 2018, 35(6): 27 - 32. [8] 陶珩 , 王琪 . 基于 PLC 的双路跟踪系统研究 [J]. 变频器世界 , 2018(4): 125 - 129. [9] 李亚辉 , 王琪 , 李荣敏 , 等 . 基于 MSP430 单片机的太阳能发电装置设计 [J]. 机电设备 , 2013, 30(4): 99 - 103. 班宁产品汇总 |