光伏发电站双轴跟踪系统的研究范文

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《电器工业》2014年第四期

1双轴跟踪装置的结构和原理

本文介绍的双轴跟踪是高度-方位跟踪系统，仰角轴与方位轴垂直，跟踪装置运行时，光伏组件平面法线与太阳光线方向一致。这样可以使太阳直射光线在跟踪装置的入射角为。双轴跟踪系统钢结构支架，包括下立柱、上立柱、回转式减速机、电池板支撑结构和高度角推杆。下立柱的下端固定在地基上；回转式减速机的一端固定在下立柱的上端，另一端固定连接上立柱的下端；电池板支撑结构可转动的部分，固定在上立柱上，高度角推杆的一端连接在电池板支撑结构上，高度角推杆的另一端与驱动电机相连。本装置方位角极限度旋转范围0~270。，高度角极限倾斜范围0~87。。双轴跟踪系统典型的控制方式有二种，一是利用太阳运行轨迹跟踪原理：利用天文运算公式，根据当地固有的太阳运行轨迹，推算出某一纬度一年中任意时刻的太阳方位角和高度角，控制系统控制电机转动，使跟踪装置跟踪太阳。二是传感器跟踪原理：在太阳双轴跟踪系统的支架上部与侧部安装有金字塔型光强传感器，传感器实时监测太阳的角度，同时将信号传给控制箱内部的控制系统。控制系统通过分析、比较，将电机驱动信号传给高度角马达与方向角马达，进而驱动整个跟踪系统追踪太阳的位置，使太阳能电池板发电效率达到最佳工作效率。本工程的双轴跟踪系统采用光传感器的控制方式。双轴跟踪控制箱照片如图2所示。在控制器面板上有显示屏及操作按钮，可以手动调节跟踪装置的方位角和高度角，并可在液晶屏上显示角度，运行状态。该装置还具有远方集中控制功能，利用远方控制平台统一控制1台或多台跟踪装置的角度变化和运行状态。并且具有堵转保护和风速保护功能，当风传感器测得的风速大于控制器中设定的风速值，且连续10s时，控制软件会下指令给1个区域中的多台跟踪装置，使装置立即变化高度角，直至水平状态（即高度角0。）。该装置的光强传感器，在光强为3000勒克斯以上开始工作，夜间进入夜晚模式，跟踪太阳光强度低于3000勒克斯超过2小时后，装置自动运行至水平状态，降低环境对系统的影响，减少能量消耗。

2双轴跟踪系统发电量的理论依据

太阳能电池阵列所获得辐射量的多少与很多因素有关：当地的维度、海拔、大气的污染程度和透明度，到达地面的太阳辐射直、散分量的比例，地表面反射系数，跟踪太阳的方式以及电池表面的清洁程度等。要想准确地计算出双轴跟踪系统电池组件阵列面上所获得的辐射量，需采用直散分离原理和余弦定律。太阳能电池阵列倾斜面上所接收到的总辐射为直接辐射、散射辐射和地面反射之和。即QT=ST+DT+RT。太阳能电池阵列倾斜面接收到的每天直接辐射ST：太阳能电池阵列倾斜面接收到的每天散射辐射DT：太阳能电池组件倾斜面接收到的每天地面反射RT：从上面的公式可知，只要求出太阳能电池方阵的不同运行方式下太阳光的入射角θ和太阳能电池阵列任意时刻的倾角Z,随时间变化的函数关系，即可通过辐照度对时间的积分求出太阳能电池阵列上的辐射量。本文介绍的双轴跟踪系统是以地平坐标为参照系，跟踪太的高度角和方位角2个变量。地平坐标系cosθ的通式为：根据上诉数学模型即可计算出固定阵列和双轴阵列电池倾斜面所接收到的太阳辐射，由于计算过程复杂，只能利用计算机程序进行计算。目前国外流行的PVSYST软件，就是利用上述数学模型，计算固定倾角，单轴跟踪以及双轴跟踪等多种运行方式下太阳能电池阵列倾斜面上接收的太阳辐射。故采用PVSYST软件，对西藏羊八井电站固定系统和双轴跟踪系统进行倾斜面太阳辐射计算，得出以下结果：上表中可以看出在250kW相同安装容量下，固定系统在倾角28度时，倾斜面年辐射量为2372.8kWh/m2,年发电量为393842kWh。双轴跟踪系统一直跟踪太阳，倾斜面年辐射量为3293.6kWh/m2。年发电量为521991kWh。理论上双轴跟踪发电量比固定系统增加32.54%。

3固定系统发电量与双轴系统实际发电量的比较

西藏羊八井电站总容量20MW，采用2MW双轴，18MW固定系统。在电站可行性研究阶段，根据PVSYST的软件模拟，相同容量的双轴系统发电量会比固定系统的发电量提高32.54%，还有一些双轴制造厂商的产品参数，发电量会提高35~40%。但本电站双轴实际运行1年后，经过对发电量数据的整理、统计得出下从表4可以看出，根据现场运行数据统计，双轴跟踪装置年平均实际发电量比固定系统多发28.96%，经过电量还原后双轴装置年平均发电量比固定系统多发29.49%。双轴实际增发电量比可研少3.05%。从表4中可以看出，4月份电站发电量被限44.2万kWh，由于固定系统限电较多，电量还原后，双轴增发由原来的30.9%，下降为27.2%。6月份电站发电量被限15.6万kWh，由于双轴个别设备故障，电量还原后，双轴增发由原来的32.4%上升为35.1%。10月份电站发电量被限35.6万kWh，固定系统限电略高于双轴，还原后增发电量上升1%。从表4中可看出，影响双轴平均效率的月份主要是8、9月份，可研中测算增发为29.7%和27.9%，而还原电量后的增发比率只有24.8%和20.5%。经过分析现场运行记录和天气记录，8、9月份为西藏地区多云、多雨季节。根据现场夏季固定系统和双轴系统发电功率曲线的对比，也可以明显看出，双轴系统启动时间早，满功率发电时间比固定系统长很多，发电量增发是必然的。根据上述分析，西藏羊八井电站采用的双轴跟踪装置比固定系统增发电量28.96%。说明采用双轴跟踪系统可以明显提高光伏电站的发电量，提高电站的收益。但也可发现，此双轴跟踪系统并没有达到预期的增发效果。经过研究分析，主要原因是该系统采用光感控制原理，虽然有实时跟踪、跟踪精度高的优点，但这种控制方式在阴天时，光感元件失效，双轴跟踪装置不进行跟踪，造成阴天发电量比固定系统低，影响了双轴跟踪装置的增发比。所以应该在不同地区，根据气候情况采用不同的双轴跟踪控制策略，当然，最佳方案是双轴跟踪系统的控制采用感光和天文运算结合的方式，这样既提高了控制精度，又可以弥补阴天时装置不跟踪的缺陷。

4结论

本文介绍了西藏羊八井20MW光伏电站中2MW双轴跟踪系统的结构、配置及控制原理，并比对了相同容量下双轴跟踪系统与固定系统的年发电量。结果表明，双轴跟踪装置比固定系统年平均发电量提高了28.96%，剔除限电因素，增发电量29.49%。并且分析了在西藏地区，8,9月份阴雨季节，双轴跟踪装置增发电量较少的原因和解决方案，具有较强的参考价值。

作者：高连生李会南单位：龙源（北京）太阳能技术有限公司北京交通大学