【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，截?cái)嘟铅菵可選取在55176?！?5176。之間。使用聚光器后使光伏電池的轉(zhuǎn)換率由原來(lái)的10%～14%提高到20%～38%。圖38半接受角?a與截?cái)嗑劢贡菴的關(guān)系由于CPC聚光器有較大的接收角，所以其南北走向可以作為一個(gè)不跟蹤的聚光器來(lái)使用，因此系統(tǒng)僅要求在東西方向上跟蹤太陽(yáng)即可，這大大減少了跟蹤系統(tǒng)的復(fù)雜性和投入，聚光器東西放置即可每天跟蹤太陽(yáng)位置的變化。第四章 光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 最大功率點(diǎn)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)目標(biāo)，要利用光伏電池發(fā)電，為了使其工作于最佳狀態(tài)，就要使其工作于最大功率點(diǎn)上。如圖24所示，光伏電池的IV和PV特性曲線都對(duì)應(yīng)著一定的光照強(qiáng)度和結(jié)溫條件，這些條件在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)不斷地變化，所以光伏電池的工作點(diǎn)會(huì)不斷地在各個(gè)曲線之間轉(zhuǎn)移，最大功率點(diǎn)也就會(huì)不斷變化位置。就某一條曲線而言，光伏電池的端電壓變化時(shí)，其工作點(diǎn)也會(huì)沿著曲線變化。因此使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)上是一個(gè)提高效率的重要途徑，進(jìn)行最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking）控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)所必需采取的措施。最大功率點(diǎn)跟蹤控制具體到P/V特性曲線上，就是使光伏電池端電壓始終處于VM附近[10]。 常用最大功率點(diǎn)跟蹤方法比較光伏系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法很多，在許多的文獻(xiàn)中都有相關(guān)探討，使用不同的控制方法在其復(fù)雜程度及效果上是有很大差異的，但目前常用的方法是電壓反饋法、擾動(dòng)法和電導(dǎo)增量法。 電壓反饋法從光伏電池的PV曲線上可以看到，各個(gè)曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說(shuō)明電池的最大功率輸出點(diǎn)的對(duì)應(yīng)電壓大致在某個(gè)值附近，通過(guò)控制輸出電壓的大小，使得光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近。其控制原理是：從生產(chǎn)廠商處獲得VM值，通過(guò)控制使陣列的輸出電壓鉗位于VM值即可實(shí)現(xiàn)MPPT，也就是簡(jiǎn)單的穩(wěn)壓控制?？刂圃韴D如41：光伏電池列陣DC變換器負(fù)載控制器V圖41電壓反饋法原理圖在系統(tǒng)對(duì)MPPT的要求不高的情況下，可以用此特點(diǎn)簡(jiǎn)化控制設(shè)計(jì)。此方法的優(yōu)點(diǎn)為原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，但是這種方法忽略了溫度對(duì)陣列開(kāi)路電壓的影響，在溫差較大的場(chǎng)所使用效果不佳。采用電壓反饋法控制的比不帶MPPT的直接耦合工作方式可獲得多至20%的電能。為克服溫度變化給系統(tǒng)帶來(lái)的影響，可以在此基礎(chǔ)上加以改進(jìn)：a）對(duì)給定的VM通過(guò)電位器手動(dòng)按季節(jié)調(diào)節(jié)。這種辦法不夠精確，而且需要人工干預(yù)，不利于生活上使用，但具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)；b）事先將不同溫度下測(cè)得的VM值存儲(chǔ)于微處理器中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，微處理器通過(guò)陣列上的溫度傳感器獲取陣列溫度，通過(guò)查表確定當(dāng)前的VM值。此法能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)VM，但存入的數(shù)值是固定的，在設(shè)備狀態(tài)有變化時(shí)將會(huì)出現(xiàn)較大的誤差。 擾動(dòng)法擾動(dòng)法主要根據(jù)光伏電池的PV特性，通過(guò)擾動(dòng)端電壓來(lái)尋找MPP，是目前實(shí)現(xiàn)MPPT常用的方法之一。其原理是先給定一電壓增量（Upv+△U），再測(cè)量它變化后的功率，與擾動(dòng)之前功率值相比，若功率值增加，則表示擾動(dòng)方向正確，可朝同一方向擾動(dòng)△U；若功率值減小，則向相反的方向擾動(dòng)△U。通過(guò)不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。其控制原理圖如下圖42：光伏電池列陣DC變換器負(fù)載控制器IV圖42擾動(dòng)法原理圖擾動(dòng)法的優(yōu)點(diǎn)是控制電路較簡(jiǎn)單，被測(cè)參數(shù)少，容易實(shí)現(xiàn)，制造成本較低。但仍有下列缺點(diǎn)：a)始終有△U的存在，其輸出會(huì)有一定的微小波動(dòng)，在最大功率跟蹤過(guò)程中將導(dǎo)致些微功率損失。b)當(dāng)環(huán)境條件快速變化時(shí)，會(huì)造成跟蹤速度緩慢，無(wú)法快速地保持在最大功率點(diǎn)上振蕩。c)有時(shí)受電壓、電流的突變影響，會(huì)發(fā)生程序在運(yùn)行中的失序（“誤判”）現(xiàn)象。其流程圖如43：圖43擾動(dòng)法流程圖 電導(dǎo)增量法電導(dǎo)增量法（Incremental conductance Algorithm）也是MPPT控制常用的算法，它是通過(guò)采集光伏電池端的電壓（電流），并根據(jù)其功率對(duì)電壓的變化率與輸出電壓、電流之間的關(guān)系來(lái)完成最大功率點(diǎn)追蹤的目的。如下所示，通過(guò)光伏電池陣列PV曲線可知最大功率點(diǎn)PM處的斜率為零，即（41）、（42）式成立，將（42）式進(jìn)行推算便得到（43）式。 Pm=V*I （41） dP/dV=I+V* dI/dV =0 （42） dI/dV= I/V （43）（43）式就是達(dá)到最大功率點(diǎn)的條件，即當(dāng)輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負(fù)值時(shí)，電池工作于最大功率點(diǎn)。其控制的流程圖如圖44 。電導(dǎo)增量法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)太陽(yáng)能電池的照度發(fā)生變化時(shí)，其輸出端電壓能以較快的方式追隨其變化，電壓波動(dòng)較擾動(dòng)法?。蝗秉c(diǎn)是它容易受到雜波信號(hào)的干擾而造成較大的誤動(dòng)作，并且跟蹤算法比較復(fù)雜，必須逐次調(diào)整以趨近于最大功率點(diǎn)，而無(wú)法很快調(diào)整至最大功率點(diǎn)，并且在跟蹤的過(guò)程中需花費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間去執(zhí)行A/D轉(zhuǎn)換。圖44電導(dǎo)增量法的流程圖 最大功率點(diǎn)控制方法的選擇及改進(jìn)—斷續(xù)擾動(dòng)法如前面所述，電壓反饋法雖然簡(jiǎn)單無(wú)擾動(dòng)，但不能對(duì)最大功率點(diǎn)電壓VM參考值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍受到很大的限制。而擾動(dòng)法則與之相反，雖能自動(dòng)搜索VM，但存在擾動(dòng)輸出問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)最大功率跟蹤的要求，本文將兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出一種改進(jìn)方法—斷續(xù)擾動(dòng)觀察法。該方法的原理與擾動(dòng)法相似，MPPT變換器先擾動(dòng)輸入電壓值（Upv+△U），將測(cè)得的功率值與擾動(dòng)之前功率值相比較，若功率值增加則表明擾動(dòng)方向正確，一定時(shí)間間隔后再朝同一方向擾動(dòng)△U:若擾動(dòng)后的功率值小于擾動(dòng)前的值，則以相同的方式往相反方向擾動(dòng)△U。通過(guò)不斷擾動(dòng)使陣列工作于最大功率點(diǎn)附近。改進(jìn)之處在于，當(dāng)系統(tǒng)找到最大功率點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓后，將在此電壓工作一定時(shí)間，而不是不停地搜索下去。當(dāng)溫度的變化幅度超過(guò)所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。此方法既有擾動(dòng)法的跟蹤能力，又有電壓反饋法的穩(wěn)定性，減少了系統(tǒng)運(yùn)行的振蕩。第五章 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)太陽(yáng)在一天中東出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定。顯然，在現(xiàn)有的技術(shù)下要降低光伏發(fā)電的成本，除了提高光伏電池裝置的能量轉(zhuǎn)換率（第三章中己介紹），光伏電池列陣還需要隨時(shí)跟著太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)才能收到最大的輻射能量。實(shí)踐表明，一般平板光伏電池采用跟蹤裝置后，平均輸出能量可提高30%以上。而且瓦數(shù)越大，造價(jià)降低就越多，這是因?yàn)楦櫵郊拥牟考O(shè)備，在一定的范圍內(nèi)，（比如說(shuō)從200瓦到800瓦）基本上沒(méi)有什么大變動(dòng)的緣故。 自動(dòng)跟蹤器的研究概況 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器的研究現(xiàn)狀目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的跟蹤器基本有兩大類(lèi)：一類(lèi)是根據(jù)地球繞日運(yùn)行規(guī)律計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡的主動(dòng)式跟蹤器；另一類(lèi)是實(shí)時(shí)探測(cè)太陽(yáng)對(duì)地位置，控制對(duì)日角度的被動(dòng)式跟蹤器。以下列出的幾種跟蹤器是這兩大類(lèi)中的比較有代表性、應(yīng)用較多的跟蹤器[11]。1）控放式跟蹤器控放式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖51所示，其原理為：在太陽(yáng)光接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽(yáng)光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。利用控放裝置對(duì)此動(dòng)力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動(dòng)力，使太陽(yáng)光接收器向西偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該機(jī)構(gòu)成本低廉，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是該跟蹤器容易產(chǎn)生過(guò)跟蹤的情況，只能用于單軸跟蹤，精度低。而且跟蹤器不能自動(dòng)復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu)，這又使得跟蹤器的成本提高。2）時(shí)鐘式跟蹤器時(shí)鐘式跟蹤器有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法：根據(jù)太陽(yáng)在太空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽(yáng)光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽(yáng)光接收器根據(jù)太陽(yáng)的位置而相應(yīng)變動(dòng)。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但由于時(shí)鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低；系統(tǒng)需外接電源，日夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，浪費(fèi)能源。圖51控放式跟蹤器工作原理圖3）采用計(jì)算機(jī)控制和天文時(shí)間器控制的跟蹤器這類(lèi)跟蹤器需要大規(guī)模集成電路以及數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)來(lái)控制工作，成本很高。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)的觀測(cè)或者大型發(fā)電廠，面向的是多個(gè)采光設(shè)各組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。但對(duì)于民用來(lái)說(shuō)，不管是將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，還是直接轉(zhuǎn)換成電能，采光設(shè)備的面積都較小且數(shù)量較少，用該類(lèi)跟蹤器控制跟蹤不僅會(huì)造成資源浪費(fèi)，其高價(jià)位也很難被廣泛接受。1）壓差式跟蹤器壓差式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖52所示，其原理為：當(dāng)入射太陽(yáng)光發(fā)生偏斜時(shí)，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。該機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是，該機(jī)構(gòu)只能用于單軸跟蹤，精度很低。圖52壓差式跟蹤器工作原理圖2）光敏元件比較式跟蹤器光敏元件比較式跟蹤器利用光敏元件在光照時(shí)性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個(gè)完全相同的光敏元件分別放置于采光板的東南西北方向邊沿處。如果太陽(yáng)光垂直照射采光板，東西（南北）兩個(gè)光敏元件接收到的光照強(qiáng)度相同，此時(shí)電機(jī)不轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)太陽(yáng)光線與采光板的法線有一夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路采集到光敏元件的信號(hào)差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。其優(yōu)點(diǎn)在于控制較精確，而電路也比較容易實(shí)現(xiàn)。但是這類(lèi)跟蹤器價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)自然界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。 目前太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器所存在的問(wèn)題根據(jù)前面所介紹的典型跟蹤器可知：主動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)屬于不可逆跟蹤，在跟蹤過(guò)程中遇到云彩遮住太陽(yáng)時(shí)，只能以一定速度繼續(xù)運(yùn)行，以保證太陽(yáng)復(fù)出后能使跟蹤不至于間斷；在跟蹤過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)控制誤差和機(jī)械傳動(dòng)誤差無(wú)法修正，造成較大的累積誤差，跟蹤精度會(huì)隨時(shí)間推移降低。跟蹤的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟蹤效率低，跟蹤裝置還額外提高了成本，在太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中添加跟蹤器就失去了原來(lái)的意義。雖然采用計(jì)算機(jī)控制和天文時(shí)間器控制的跟蹤器精度較高，但其高昂的成本不適合民用，所以這些跟蹤器都不在本課題的研究范圍內(nèi)。被動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)不受地理位置的限制，跟蹤精度較高，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。其中成本相?duì)較低、精度較高的光敏元件控制式跟蹤器屬于比較理想的跟蹤器。但這種跟蹤器只是從理論上來(lái)看比較理想，要把理論變成實(shí)際產(chǎn)品，要開(kāi)發(fā)出真正廉價(jià)、高精、實(shí)用的自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，在理論基礎(chǔ)上還得解決以下的問(wèn)題：1）光敏元件比較式跟蹤器雖然原理簡(jiǎn)單，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格相對(duì)于民用來(lái)說(shuō)還是很高。成本問(wèn)題是制約太陽(yáng)能運(yùn)用發(fā)展的一個(gè)重要問(wèn)題，如果想普及太陽(yáng)能的運(yùn)用，使之為市場(chǎng)所接受，就必須將其價(jià)格降低到市場(chǎng)可以接收的范圍之內(nèi)。如何在保證跟蹤效果基礎(chǔ)上盡量的降低成本，是本課題組重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。2）大自然中大氣情況是復(fù)雜多變的，真正的高精度跟蹤，對(duì)跟蹤平臺(tái)的要求非常高。在大自然中可能出現(xiàn)：①太陽(yáng)的由東向西的運(yùn)動(dòng)（相對(duì)地球）。這種情況就要求傳感探測(cè)單元能夠精確反應(yīng)太陽(yáng)光線的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。②晝夜更替。地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，會(huì)出現(xiàn)晝夜更替現(xiàn)象，當(dāng)太陽(yáng)落山時(shí)，跟蹤平臺(tái)跟蹤太陽(yáng)面朝向西邊，然后停止工作，當(dāng)?shù)诙煸缟咸?yáng)升起時(shí)，跟蹤平臺(tái)仍然朝著西邊，無(wú)法跟蹤太陽(yáng)。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)在早上能夠復(fù)位。早上的復(fù)位工作可以用機(jī)械裝置來(lái)完成，但是該方法成本較高，如果采用傳感控制電路來(lái)控制跟蹤平臺(tái)完成復(fù)位，成本就不會(huì)增多。這樣就要求跟蹤平臺(tái)的傳感探測(cè)單元能夠在早上反應(yīng)出太陽(yáng)光線的大范圍變化，快速?gòu)?fù)位。③多云天氣、陰雨天氣。太空中的云朵會(huì)遮住太陽(yáng)，這時(shí)跟蹤平臺(tái)的傳感單元無(wú)法反映出太陽(yáng)光線的變化，當(dāng)云彩過(guò)后太陽(yáng)可能偏離較大的角度。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)的傳感探測(cè)單元能夠在較大范圍內(nèi)反應(yīng)出太陽(yáng)光線的變化。設(shè)計(jì)跟蹤平臺(tái)的時(shí)候要考慮到以上要求。怎樣才能在保證高精度的同時(shí)，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，實(shí)現(xiàn)完全的自動(dòng)跟蹤，這一個(gè)問(wèn)題是本課題的核心問(wèn)題。 新型跟蹤平臺(tái)的開(kāi)發(fā)為了解決上一小節(jié)所述問(wèn)題，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，本課題提出了兩套方案：一種是自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)；另一種是通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)。 自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)復(fù)精度的含義：跟蹤平臺(tái)有兩套（不同精度的）跟蹤探測(cè)單元，可大范圍搜索太陽(yáng)（這稱(chēng)之為粗跟蹤），一旦跟蹤到一定范圍，則啟動(dòng)精確跟蹤單元對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行精確跟蹤。通過(guò)采用復(fù)精度探測(cè)單元，滿足太陽(yáng)復(fù)雜多變的照射情況要求，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤，這是本系統(tǒng)的核心技術(shù)。自適應(yīng)的含義：該平臺(tái)在安裝后就開(kāi)始自動(dòng)工作，不需手動(dòng)調(diào)整，而且能夠自動(dòng)根據(jù)光線的偏移情況，啟動(dòng)不同的精度跟蹤單元跟蹤太陽(yáng)，屬于裝后不管的“傻瓜”型跟蹤平臺(tái)。該跟蹤平臺(tái)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，在保證工作性能的同時(shí)大大降低了成本提高了性?xún)r(jià)比。自適應(yīng)復(fù)精度跟蹤平臺(tái)包括自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)探測(cè)單元、信號(hào)處理與控制單元、驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行的動(dòng)力單元及其機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)圖如下所示。圖53跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)圖本平臺(tái)的工作原理是：在日光下，平臺(tái)的自適應(yīng)復(fù)精度探測(cè)單元自動(dòng)搜索太陽(yáng)的位置，系統(tǒng)自動(dòng)將太陽(yáng)方位與平臺(tái)所正對(duì)著的方位進(jìn)行比較，當(dāng)兩者不一致時(shí)，探測(cè)單元發(fā)出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大處理傳至控制單元控制普通直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)跟蹤太陽(yáng)；粗跟蹤找到太陽(yáng)的大致方位后，精跟蹤自動(dòng)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行精確定位，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行至精確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)為止。 太陽(yáng)位置探測(cè)單元本跟蹤平臺(tái)是在傳統(tǒng)光敏元件比較跟蹤器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新發(fā)展而來(lái)。傳統(tǒng)比較跟蹤器的傳感探測(cè)單元存在著很大問(wèn)題，不能滿足復(fù)雜多變大氣的需要。在理論上，跟蹤器應(yīng)對(duì)精度范圍內(nèi)光線的任何變化都能做出反應(yīng)。但是在現(xiàn)實(shí)情況中，如果光敏元件沒(méi)有受到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，在很大程度上就會(huì)受到環(huán)境散射光的影響，跟蹤器只能對(duì)太陽(yáng)光線較大的變化做出反應(yīng)，跟蹤精度大大降低。所以目前這類(lèi)跟蹤器都對(duì)其光敏元件進(jìn)行環(huán)境光屏蔽保護(hù)，保證精度。但由于加上了這些屏蔽結(jié)構(gòu)，當(dāng)面臨烏云、陰雨天氣過(guò)后或者晝夜交替等太陽(yáng)光線偏離較遠(yuǎn)的情況時(shí)，太陽(yáng)位置變化很大，屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)屏蔽太陽(yáng)光線的變化，光敏元件就不能做出反應(yīng)，跟蹤器不能及時(shí)跟蹤上太陽(yáng)光線。所以，目前的這類(lèi)跟蹤