自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電系統

文/許芷毓 李磊 柴松

（西南民族大學 四川省成都市 610000）

根據傳統的光伏發電系統，在發電效率和對環境的污染程度方面都存在著許多的弊端，這就意味著過去以往的光伏發電系統已經不能滿足當前階段發電的基本需求。然而本文所提出的是將光電跟蹤方式和太陽運動軌跡跟蹤方式相結合的全天候太陽自動跟蹤方法，這個方法分別分析了三種天氣條件下的狀況，分別是：晴天、多云和陰雨，采取分別的跟蹤方式，在這樣的情況下給出了光電跟蹤方式的具體設計方法和實現方法，這樣就能夠確定了太陽運動軌跡的計算方法。因此，正是因為這樣的方式方法，才能設計出一整套配合的自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電系統，從本質上來說這個系統是一個小型的光伏發電系統，這是在太陽自動跟蹤的基礎之上，全天候、高效率的獨立進行運行，換句話說這就是盡可能的將多的太陽能全部都轉換為電能，都提供給用電負載使用。在整個系統運行的過程中主要分為太陽自動跟蹤系統和光伏電源系統的兩個子系統，在這其中光伏電源子系統是以重要的森林防火這一具體的應用領域為案例進行詳細分析和設計的。在這個時候我們就需要分別對這兩個系統設定于特定的軟件和硬件設施，其中硬件設施主要包括：太陽方位檢測、計算機控制、數據采集特點以及光伏電源模塊的設計，然而軟件設計主要包含了太陽自動跟蹤系統的軟件體系，這些軟件實現了各個硬件模塊的主要功能、光電檢測數據的有效處理以及一些太陽跟蹤設備的驅動控制。最后則是將設計好的這些光伏發電的整個系統進行實驗，這是將理論與知識的一種結合，能夠為太陽運動軌跡跟蹤和光電檢測跟蹤的穩定性和準確性提供有利的幫助，為的就是驗證整個系統的合理性以及獨立工作的穩定性。

1 目前國內外自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電的研究現狀

隨著我國科學技術的不斷進步，經濟水平的不斷提升，我國逐漸的開始追求高新技術的發展，走可持續性發展的道路。近年來，太陽能光伏發電作為太陽能利用的關鍵性方式，具有很廣闊的發展空間，并且太陽能發電也逐漸的應用于生活當中的各個領域，并且也發揮著至關重要的作用。

目前階段，隨著世界經濟的飛速發展，各種能源結構錯綜復雜，但是在世界能源結構當中，人們主要利用的能源結構有煤炭、石油、天然氣以及石化能源等等。然而人們所利用的常規性能源中，曾經極大地推動了社會的不斷進步和發展，但是隨著化石和煤炭資源的大量開發和利用，大部分的資源都已經面臨著枯竭的狀態，由于這些礦產資源的大量開采，使得人類的生存環境也變得不斷惡化，不僅如此還使得各個國家和地區之間的經濟和政治上的糾紛，情況嚴重者更容易引起各個國家之間的沖突和戰爭。即使目前階段我國的煤炭資源相當的豐富，同時也是世界當中最大的煤炭消費國家，工業領域當中的煤炭使用幾乎占據了我國煤炭能源市場總數的70%以上，這在一定程度上不僅對周圍的環境造成了一定的污染，也是生態環境遭到破壞的重要原因之一，而且對于這種不可再生資源我們切勿進行大量的開采和使用，我們人類更應該大力的開采新能源和可再生資源。其中，太陽能作為新能源當中和可再生資源的重要組成部分，更是值得人們去重點開采和使用，最為重要的是太陽能資源更有煤炭、石油和天然氣能源都無法比擬的優點，那就是對周圍的環境不會造成破壞。太陽能的光伏發電是在光伏效應的基礎之上的，其中最為主要的部分就是能夠將太陽的光能全部轉換為電能的太陽能電池，因為太陽能電池能夠直接產生直流電，并且也可以直接投入使用，除此之外這也可以通過使用逆變器將其轉換為交流電加以使用。在功能方面我們可以根據是否與電網相連，可以將具體的太陽能光伏發電系統分為獨立型和并網型兩種，獨立型通常是建立在遠離電網的邊遠地區或者是專門用作獨立式的電源，這樣就能有效的解決那些偏遠地區的實際用電問題，然而并網型則是與常規使用的電網連接在一起，能夠直接將所發出的電能輸送到當地的電力網絡之上。實際上在太陽能光伏發電的研究領域當中，國外的一些發達國家都是遠遠的領先世界先進水平，因此這就使得世界各國對于光伏發電就非常的重視，就會對此進行大量的投資、研究和開發，這就使得光伏發電的應用范圍遍及社會當中的各個領域。

2 光伏電源系統的結構和主要容量

2.1 獨立太陽能光伏發電系統的主要結構

目前光伏發電系統已經廣泛的應用于生活中的各個領域，但是根據應用場所的不同，光伏發電系統一般情況下可以分為獨立光伏發電系統、并網光伏發電系統和混合型的光伏發電系統，因此通常情況下偏遠地區所使用的光伏發電系統都是小型的獨立光伏發電系統。因此獨立型太陽能光伏電源系統主要是由太陽能電池陣列、充電和放電控制器、蓄電池、逆變器以及相應的DC 變換器共同組成的，其中太陽能電池陣列一般是由多塊太陽能電池板串聯而成的，但是對于每個支路來說都需要通過充電和放電控制器給蓄電池進行充電；然而蓄電池組則是太陽能電池陣列的重要儲存裝置，它的重要作用就是將電池陣列在有日照時產生的多余電能進行儲存起來，以供在晚間用電高峰期或者是陰雨天的負載時使用，因為蓄電池是由若干塊蓄電池串聯而形成的，這其中所含的容量必須要在沒有太陽輻射的時間里，充分的滿足用戶要求的具體供電時間和供電用量，但是目前階段光伏發電系統常用的是鉛酸蓄電池，并且一些特殊的重要場合也有鎳鉻蓄電池，但是這種類型的蓄電池制作成本相對比較高，只是沒有鉛酸蓄電池應用廣泛而已；充電和放電控制器也是整個系統當中的關鍵部分，往往蓄電池組使用壽命的長短會對光伏發電系統的壽命影響十分巨大，延長蓄電池組使用壽命的關鍵是在于對其充電和放電的條件加以嚴格的規定和控制。因為在光伏發電的過程中，充電和放電的控制器的主要作用就是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，另外還要快速、平穩和高效的為蓄電池進行充電，并且還需要在這個充電的過程中盡量的減少損耗、延長蓄電池的使用壽命。與此同時我們還要保護蓄電池，避免出現充電或者放電現象的發生。如果是用戶采用直接使用直流負載的方式，這樣可以通過充電控制器為負載提供穩定的直流電流，如果在溫差相對比較大的地方，合格的控制器還需要具備一定的溫度補償功能，其他的附加功能也應當是有關控制器的首選。

2.2 獨立型太陽能光伏電源系統的容量計算

光伏電源系統當中，主要的設計是進行光伏電源系統的容量計算，這其中需要考慮到各個方面的因素，首先光伏發電需要的就是依靠太陽能輻射，因此這就需要我們要盡可能的去掌握一些當地詳細的氣象環境等重要狀況。另外，我們需要去考慮具體的用電需求狀況，這就需要我們對其中相關的參數做出綜合性的考慮和計算，也只有這樣才能最大化的發揮出系統各部件的主要性能，因此我們需要在保證用電設備正常工作的基礎之上盡量的降低系統的主要成本。光伏電源系統的設計過程中主要關系到特定的天氣現象、環境以及其他大量的統計數據，這些大量的統計數據的測量以及相關數據的選擇方面都是至關重要的，一般情況下氣象臺所提供的一些資料都是有根據的，需要經過日積月累、大量數據信息的分析和總結，其中最為重要的是本文所研究的自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電系統當中自動跟蹤裝置驅動之下運行的，并且還會隨著太陽的移動而移動，這在一定程度上能夠提高整個系統的發電效率，同時裝置的本身也會存在著電力消耗的現象，但是裝置電力消耗是遠遠小于跟蹤裝置所需要的發電量，但是在精確計算一些光伏電源系統容量的時候，為了簡化這些計算信息，完全可以忽略不計。

3 系統的技術指標和系統的整體結構

通過對太陽能自動跟蹤方法的分析和光伏電源系統的容量進行相關的計算，我們可以根據相對應的設計出的一些自動跟蹤系統和光伏電源系統，但是如果將這兩個系統結合在一起的話，就構成了自動跟蹤式的獨立太陽能的重要發電系統。然而本文主要研究的就是自動跟蹤式獨立太陽能發電系統，這從本質上來說就是一個小型的光伏發電系統，關鍵的可以為森林防火的監控設備提供獨立的、全天候的電力供應行為，因此系統在整體運行的過程中具有很高的要求，例如：獨立性、連續性、高效性和穩定性，主要的技術指標如下：跟蹤進度大概在1 度到2 度之間；承載重量一般小于50KG；水平運行角度在0-360 度之間；垂直調整角度在0-90 度之間；光伏電源逆變效率在80%左右；輸出交流電壓精度在220V±3%；輸出直流電壓精度在5V±1%；系統的功率消耗小于10W；系統自給天數3 天；跟蹤系統抗風性能不小于11 級；運行的環境以及相應的溫度-30℃在+60℃之間，并且還要在室外全天候條件下運行。至于系統的主要結構是與太陽的運動軌跡方式相結合的，計算機為控制的中心，接受光電檢測模塊信號和輸出的太陽方位信號，并且結合太陽具體的運動軌跡跟蹤模塊最終計算出太陽的高度角和方位角的真實理論值，然后監測控制二維跟蹤裝置當中的步進電機的轉動，從而能夠有效的實現對太陽的有效跟蹤。

4 光伏電源系統的軟件和硬件設計

在光伏電源系統當中，整個系統的硬件設計和軟件設計都是要按照系統的規定安排的，在整個系統當中的硬件設計主要包括太陽方位監測模塊、光強監測模塊、數據采集模塊、計算機控制模塊、外部時鐘模塊、光伏電源模塊的設計等等，然而在這些模塊的設計過程中，具有象限間隙較小、相應快速、低暗電流、高分流電阻和高精度的特點，因此我們在設計的過程中必須要按照系統嚴格的參數進行詳細的計算，最終根據這些數據信息得出相關參數的關系，進行對比。另外我們還要考慮到系統硬件設備的設計，這就需要考慮到獨立型太陽能光伏電源系統中的充電和放電控制器，其中相關的是控制器、逆變器和蓄電池的各種參數，主要就是這些用電設備的選型問題，其中最為常見的就是工作電壓為24V 的蓄電池，根據電源系統中各種設備容量的計算問題，仔細合理的進行設備的選型，最終才能確定設備之間相關的連接方式，只有這樣才能確保系統的順利運行。

5 結束語

綜上所述，本文所提出的是一種全新的太陽能自動跟蹤方法，這也是在原有的方法上進行改進和創新，其中最為重要的是在這個方法的基礎之上進行了自動跟蹤式獨立太陽能光伏發電的系統研究和方案的設計，這主要是因為提出了一種將光電跟蹤方式和太陽運動軌跡跟蹤方式相互結合的全天候太陽自動跟蹤方法。這其中主要分為三種天氣變化：晴天、多云和陰雨三種，這就需要結合光電跟蹤方式和太陽運動軌跡跟蹤方式的主要工作原理，經過這兩種獨特的設計和對整個過程進行詳細的介紹，對該有的太陽運動軌跡跟蹤算法的可行性進行一定的驗證。針對目前的狀況，我們需要在現有的技術基礎之上設定一種獨立的自動跟蹤式太陽能光伏發電系統，只有這樣在一定程度上才能根除整個系統當中所存在的弊端，并且整個系統能夠在全天候、高效率的進行運行，大大的提高能量的轉換效率。