新型光伏发电体系的设计与实行范文

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智能双轴跟踪支架系统控制器采用以时控为主导、光控为辅助，时控与光控相结合的控制策略．控制器处于时控方式时，控制算法根据当地所处的地球经纬度位置，利用Klein太阳位置算法精确计算某一时刻太阳高度角、方位角等关键参数，进而对太阳的实际位置进行有效跟踪．控制器处于光控方式时，利用光敏传感器对太阳高度角和方位角进行检测，建立以光照强度、光照角度、环境温度、风力大小等自然因素为系统状态，以伺服电机的转动角度、调整时间间隔为控制输出的动态模糊模型，应用间歇变步长搜索法实现最大功率点跟踪．同时结合混沌理论和保成本控制策略实现光伏发电控制系统本身的节能要求．

系统同时具有风载保护、极限限位、故障自动识别、自动保护、自动返回等功能．控制系统原理如图1所示。光电二极管的光照特性是输出电流和光照度之间的关系，可以近似看作线性关系．跟踪系统检测部分采用四象限结构，在每个象限安装1个光电二极管，四象限的原点安装1个太阳光照度检测光电二极管;后续电路部分采用和差电路形式，电路的连接是先计算相邻象限信号的和，再计算信号的差．系统将对5个光电二极管的电压(或电流)信号进行实时采集，经过A/D转换后送入控制系统，经过对输入信号的处理之后输入到功率驱动部分，进而实现对2个轴电机的控制．信号调理电路，对光电二极管的输出信号进行放大、调零度、满度等一些处理，使其能够满足A/D转换器的输入转换要求，提高整个控制系统的精确性、稳定性和可靠性．控制器采用Microchip公司生产的8位PIC系列单片机，该单片机采用精简指令集RISC、哈佛双总线和两级指令流水线结构．功率驱动部分采用自行设计的直流电机驱动H桥，该桥既能实现电动机的正反转控制，同时保证足够的电流输出，完全满足伺服电机的驱动和控制要求．

控制器软件算法:①光伏发电最佳倾角的计算采用月平均太阳辐射量的计算方法，计算倾斜面上的太阳辐射量;②引入基于模糊模型的模糊自适应控制方法，建立以光照强度、光照角度、环境温度、风力大小等自然因素为系统状态，以伺服电机的转动角度、调整时间间隔等为输出的动态模糊模型;③采用间歇变步长法对光伏电池进行最大功率跟踪控制，光伏电池板的功率—电压特性曲线可视为非线性函数，最大功率跟踪的目的是令光伏电池板的功率输出始终为功率—电压特性曲线上的最大值．

跟踪控制器设计与研究

利用光电二极管传感器，使光伏发电系统实现位置自动调整;选用单片机作为控制器的中央处理芯片实现成本较低的太阳跟踪系统．单片机系统具有较好的稳定性，并能够达到相当高的精确度．为综合处理各种可能的工况，控制系统内置时钟，并在系统初始化时设置当地日落最晚时间和日出最早时间，期间为夜晚，当时钟运行至夜晚开始时，系统回到初始化状态;当时钟运行至日出时间时，系统处于待命状态，此时，单片机采集5号光电二极管的数据，来控制系统的起停．

最大功率点跟踪控制策略研究

当系统处于时控方式状态下，需要根据当地所处的地球经纬度位置，精确计算某一时刻太阳高度角、方位角等关键参数．具体计算方法如下．

太阳能中天文参数的计算1)日地距离．由于地球绕太阳的运行轨迹是个椭圆，所以地球与太阳之间的距离在1年之内是变化的．到达地球表面的太阳辐射强度和距离的平方(r/r0)2成反比，r0为日地平均距离，r为任意时刻日地距离的准确值．

智能决策软件研究开发

建立各个地区与太阳能有关的辐射数据库:①根据安装地的地名或者所在的经纬度找到对应的辐照度表;②不同倾斜角下各月各季度和年平均的辐照度(kWh/m2);③最佳倾角行所对应的是各月和各季度所对应的最佳倾斜角度;年平均辐照度指的是1年内得到最大日平均辐照度时的倾斜角度;④最佳倾角辐照量是指各月、各季度在最佳倾角时所对应的日平均辐照量;⑤年最佳倾角时辐照度指的是在1年内最大平均辐照量时的倾斜角度所对应的各月、各季度的日平均辐照度．跟踪模式的判断过程完全由软件实现，灵活度高，可以针对不同地区和不同的气候进行调整，从而提高光伏电站的发电效率．还可以根据需要增加光强传感器、风力传感器等多传感装置，提高安全性并达到更高的控制要求．通过程序控制，可以自动判断是否满足运行条件，从而达到自动启动运行装置、自动停止、返回初始状态等控制．增加风力传感器用于对系统的保护作用，当风力大于一定数值时，系统停止工作，复位到原点，风速满足工作条件时，系统自动开始工作．太阳能电池板有2个自由度，控制机构对高度角和方位角2个方向进行调整．当电池板转到尽头时，由于跟踪装置装了限位传感器，到限位触点时自动切断输出，电机停止工作．

跟踪控制器采用时控与光控相结合的控制方式．采用四象限光敏电阻对太阳高度角和方位角检测，检测精度可根据实际需求进行调整．跟踪器在天气晴好，太阳不受遮挡的情况下采用光控跟踪方式;在阴雨天等光照度不足时采用高精度太阳位置算法，根据当地经纬度和时间准确计算出太阳的实际位置进行跟踪．跟踪器光控与时控互为补充、自动切换，在保证高精度跟踪的同时不受阴雨天气的影响．在天气由阴转晴时就立刻将太阳光能丝毫不落的采集出来，实现了最高效率的太阳能跟踪．同时系统具有风载保护接口，支持外接风速传感器，能够随时控制系统进入机械最大抗风状态．其智能决策软件实现流程如图3所示:

光伏发电智能双轴跟踪支架系统的应用前景

目前，大型光伏电站的设计，特别是在国内，很多太阳能电池板阵列基本上是采用固定式结构，存在余弦效应影响，无法保证太阳光垂直照射，光伏电池不能充分利用太阳能资源，发电效率低下，无法保证获得全年的最大光电转换效率．采用光伏发电智能双轴跟踪支架系统是降低光伏电站电价的潜在途径．经实验验证，跟踪系统应用到平板光伏发电阵列，可以比固定模式提高30%～40%的发电效率．随着控制技术的不断发展与控制成本的不断降低，实现对太阳方位角和高度角的精确跟踪的相关技术已成为研究与运用的热点，因此光伏发电智能双轴跟踪支架系统也必将给光伏发电产业带来巨大的经济效益，具有不可估量的应用前景．

结束语

光伏发电智能双轴跟踪支架系统研究与开发，大大提高了太阳能的利用率，其必将在光伏发电系统中得到广泛应用，对光伏产业的发展起到重要的推动作用，从而带来较大的经济和社会效益．

作者：关焕新张相明单位：沈阳工程学院校产经营集团