天文算法與傾角傳感器反饋相結合的光伏跟蹤系統設計

王 琪，黃家兵，沈 妍，彭 程，朱 超

(1.江蘇科技大學機電與動力工程學院，蘇州 215600；2.蘇州聚晟太陽能科技股份有限公司，蘇州 215600)

0 引言

天氣狀況、晝夜交替、季節更迭、地理位置差異等自然環境因素會對光伏發電產生較大影響，因此提高光伏發電系統的發電效率和工作穩定性顯得至關重要。通過改變光伏組件的傾角可使光伏組件盡量正對著太陽直射光，這是提高光伏組件發電量的有效方式之一[1]，而將光伏組件和平單軸跟蹤光伏支架相結合，根據GPS提供的數據，利用天文算法來確定太陽位置，通過電動推桿動作來控制光伏支架上光伏組件的傾角，可實現光伏組件的追日跟蹤。但此種跟蹤方式較為單一，并且采用的是開環控制方式，具有精度較低、存在累積誤差的缺點。本文對上述方法進行了改進，在利用GPS提供的數據的基礎上，提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結合的光伏跟蹤系統。該系統采用閉環控制方式，并且針對光伏組件傾角過大會產生陰影遮擋的問題，在正跟蹤模式的基礎上引入了逆跟蹤模式。該系統主要有4種工作模式，其會根據不同的狀況采用不同的工作模式，且能根據不同地理位置、日期、天氣等情況調整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態。

1 光伏跟蹤系統工作模式的設計

本文所述光伏跟蹤系統中的GPS模塊用于提供經度、緯度、日期、時間等數據[2]。該系統通過天文算法計算出太陽的實時位置后，據此來調整其理論跟蹤角度，由此來改變安裝于平單軸跟蹤光伏支架上的光伏組件傾角，并且利用傾角傳感器實時反饋系統的實際跟蹤角度。當實際跟蹤角度與理論跟蹤角度一致時，即實現了光伏組件的追日跟蹤。此種閉環控制方式能通過傾角傳感器反饋量來消除累計誤差，使光伏跟蹤系統在長時間運行時仍能具有較高的精度。本文所述光伏跟蹤系統的控制原理圖如圖1所示。

圖1 本文所述光伏跟蹤系統的控制原理圖Fig. 1 Control principle diagram of PV tracking system described in this article

該光伏跟蹤系統主要有正跟蹤模式、逆跟蹤模式、固定傾角模式和手動模式4種工作模式，會根據不同的情況選擇不同的工作模式。

1.1 正跟蹤模式

在正跟蹤模式下，照射到光伏組件平面上某點的太陽直射光線應盡量與光伏組件平面垂直。而確定平單軸跟蹤光伏支架上的光伏組件傾角時，需要考慮到太陽相對于光伏組件的位置，該位置可以在地平坐標系中通過天文算法計算得到[3]，計算時涉及到的參數包括赤緯角δ、時角ω、太陽高度角α和方位角λ。

赤緯角δ用于表示太陽和地球中心的連線與地球赤道所在平面之間的夾角，中國氣象科學研究院的研究員王炳忠曾提出一種高精度計算δ的方法，稱作“Wang算法”[4]。該算法的表達式為：

式中，N為積日，即從每年的1月1日到計算日當天的天數；N0為積日的修正常數，其考慮了積日類差和閏年的影響，近似取值為79.67。

時角ω是指測量地所在的子午圈與太陽直射點所在的經線之間的夾角，其隨時間變化而變化。ω的計算式可表示為：

式中，ts為測量地的真太陽時。

ts可表示為：

式中，t0為北京時間；J為測量地的經度，西經時取“+”，東經時取“–”；E為時差。

其中，E可表示為：

太陽高度角α是指太陽直射光線與其在水平面上投影的夾角。α的計算式可表示為：

式中，f為測量地的緯度。

方位角λ是指太陽直射光線在水平面上的投影偏離正南方向的角度。λ的計算式可表示為：

當光伏跟蹤系統采用正跟蹤模式時，太陽直射光線L在光伏組件受光面上的投影應盡量與光伏支架主梁所在軸線重合，即L在ZOY平面上的投影L0應盡量垂直于光伏組件，此時太陽直射光線的入射角最大，具體如圖2所示。圖中，α0為L0與Y軸的夾角。

圖2 太陽直射光線在光伏組件受光面上的投影示意圖Fig. 2 Schematic diagram of projection of direct sun rays on light-receiving surface of PV modules

α0的計算式可表示為：

在正跟蹤模式下，α0與光伏組件傾角α1互為余角，二者的關系示意圖如3所示。圖中，α2為理論跟蹤角度，其由光伏跟蹤系統中的控制單元根據相應計算得到。

圖 3 α0與 α1的關系示意圖Fig. 3 Schematic diagram of relationship between α0 and α1

α0、α1及α2的關系式可表示為：

1.2 逆跟蹤模式

由于在日出和日落時α的值較低，若此時光伏組件受光面仍正對著太陽直射光線，則會對其后排的光伏組件產生陰影遮擋[5]；而陰影遮擋會使光伏組件的發電量顯著下降，因此需要引入逆跟蹤模式，以規避陰影遮擋的情況。根據GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》的規定，無論是固定式光伏支架還是跟蹤式光伏支架，均要求所在地冬至日當天09:00～15:00時段內相鄰光伏支架之間互不遮擋。由于在09:00～15:00時太陽輻照度最強，此時最好保證跟蹤式光伏支架的工作模式處于正跟蹤狀態[6]。由此，可計算得到相鄰光伏支架東西向最小間距D，其計算式為：

式中，B為單個光伏組件的寬度；d為太陽直射光線在相鄰光伏支架間的地面投影長度。

其中，d可表示為：

光伏跟蹤系統采用逆跟蹤模式后，α0與α1不再互為余角，正跟蹤模式下的算法不再適用于此時的平單軸跟蹤光伏支架，需要單獨計算此種模式下的光伏組件傾角，其示意圖如圖4所示。

圖4 逆跟蹤模式下的光伏組件傾角示意圖Fig. 4 Schematic diagram of PV module tilt angle in reverse tracking mode

可表示為：

逆跟蹤模式下的理論跟蹤角度可表示為：

1.3 固定傾角模式

為了保證平單軸跟蹤光伏支架在戶外長期運行的可靠性和穩定性，并方便工作人員對光伏支架進行安裝、調試和維護，光伏跟蹤系統會在以下幾種狀況時采用固定傾角模式。

1)陰雨天氣時。由于晴天時太陽輻照度對光伏組件發電量的影響較大，因此可以根據所在地太陽輻照度情況來適時調整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態。但陰雨天氣時，由于太陽輻照度隨時間變化的趨勢不明顯且此時的太陽散射光對光伏組件發電量的影響較大，因此若此時光伏支架仍保持晴天時跟蹤太陽直射光的狀態，隨著太陽方位而轉動，會額外增加其電機的電量消耗。綜上分析，在連續陰雨天氣時，光伏跟蹤系統會通過遠程控制系統將此時的理論跟蹤角度固定在185°并停止追日跟蹤。

2)光伏組件清洗時。灰塵覆蓋會對光伏組件性能產生較大影響，當光伏組件上覆蓋的灰塵量達到12.64 g/m2時，其相對發電量將會下降20%左右[7]。由于光伏電站中光伏組件的尺寸較大，因此為了方便光伏組件清洗，此時光伏跟蹤系統采用固定傾角模式，將理論跟蹤角度固定在135°。雖然在組件清洗前需要檢測是否存在風速異常的情況，但在組件清洗時光伏跟蹤系統不需要啟用計時恢復功能。

3)光伏支架處于防風狀態時。由于光伏組件采用薄板結構，光伏支架采用輕鋼結構，因此在大風天氣時，二者均容易被破壞。風向不同對光伏組件產生的影響也會不同，光伏跟蹤系統利用風速風向傳感器實時檢測風速、風向。當風速大于光伏跟蹤系統工作風速閾值時，光伏跟蹤系統將采用固定傾角模式，會將光伏組件以迎風傾斜5°放置[8]，即此時的理論跟蹤角度設定為175°或185°。當光伏支架進入防風狀態后，控制程序會延時一段時間，此時的光伏支架繼續保持靜止；當延時結束后，光伏跟蹤系統會再次比較風速值，判斷是否恢復跟蹤狀態。

4)光伏支架處于防雪狀態時。由于大雪時容易出現積雪壓塌光伏組件及支架結構的情況，而且積雪不融化或在光伏組件表面化霜結冰會嚴重影響光伏組件的工作狀態。因此，在大雪或易積雪天氣時光伏跟蹤系統的理論跟蹤角度會保持135°不變，使大雪不易積累在光伏組件表面。大雪天氣時常伴隨大風，在光伏支架進入防雪狀態前，應先檢測風速是否存在異常，若無異常則光伏支架會根據上位機指令進入防雪狀態。

5)光伏支架處于夜間狀態時。根據天文算法可得到所在地不同時刻的α值，當傍晚α≤0°時，光伏支架進入夜間狀態，光伏跟蹤系統采取固定傾角模式，理論跟蹤角度固定為185°；而當早晨α>0°時，則進入跟蹤模式。

1.4 手動模式

為方便工作人員對光伏跟蹤系統進行現場安裝調試，增加了手動模式，即利用按鍵和單片機指令來實現控制電機的正向和反向轉動，以方便臨時調整光伏組件的傾角。

2 硬件電路的設計

該光伏跟蹤系統的硬件電路基于STM32單片機進行設計，硬件電路主要由電源單元、通信板、控制單元、電機、驅動單元等幾大部分組成[9]。其中，通信板用于采集GPS提供的數據及風速風向儀測得的數據等信息，并將數據處理后傳送給控制單元，控制單元通過相應計算得出理論跟蹤角度，并將該角度與傾角傳感器反饋的實際跟蹤角度進行對比。為完善該光伏跟蹤系統的功能，通信板還包括了可進行防雪、組件清洗等操作的按鈕，控制單元還包括啟用手動模式時的按鈕、時鐘芯片等部件。硬件電路的框架圖如圖5所示。

圖5 硬件電路的框架圖Fig. 5 Frame diagram of the hardware circuit

控制單元采用意法半導體集團生產的STM32F0x芯片，負責對GPS、傾角傳感器、風速風向儀等反饋的數據進行采集、分析及計算。STM32F0x系列產品基于超低功耗的ARM Cortex-M0處理器內核，因運行高速、低成本、低功耗的特點被廣泛應用于經濟型控制系統。

采用單片機內部時鐘時，內部時鐘會受到外部晶振的影響，而環境溫度對外部晶振的影響較大，最終導致內部時鐘的時間存在一定的誤差。因此在設計該光伏跟蹤系統時，額外增加了高精度時鐘芯片DS3231，該芯片內部含有集成的溫度補償晶體振蕩器，具有較強的適應外部環境溫度變化的能力。此外，備用電池可為此時鐘芯片提供斷電后的續航，時鐘中的存儲芯片可以存儲斷電后的時間信息，從而保證了光伏跟蹤系統恢復工作后時間上的連續性。

整個電路系統要求電源單元為其提供大小合適且穩定的電力。比如，通過外部的AC/DC電源單元將220 V交流電轉變為24 V直流電后，可通過LM2596開關型集成穩壓芯片和隔離電源獲得+5 V的輸出電壓，通過SPX1117型低壓差穩壓芯片可獲得3.3 V的輸出電壓，然后分別為不同電壓要求的芯片組件供電。此外，該控制單元通過H橋電路控制驅動電機正向和反向運行[10]，并且利用驅動芯片監測電機的電流。

3 實驗數據測試與分析

通過上述公式可計算得到一天之中光伏跟蹤系統采用有逆跟蹤模式和無逆跟蹤模式時的理論跟蹤角度。計算時的時間取2019年5月7日，地點選為江蘇省張家港市(120°E，31°N)，光伏組件寬度為1.2 m，相鄰光伏支架東西向最小間距取2.5 m。繪制時刻-理論跟蹤角度曲線圖，結果如圖6所示。

圖6 時刻-理論跟蹤角度曲線Fig. 6 Curve of time-theoretical tracking angle

由圖6可知，在無逆跟蹤模式下，日出(05:20)后理論跟蹤角度由夜間狀態時的180°轉變為90°左右，這說明跟蹤系統采用了正跟蹤模式，此時光伏組件受光面正對著太陽直射光；然后隨著時間的變化，日落(18:40)后，理論跟蹤角度固定為185°，這說明光伏支架再次進入夜間狀態。在有逆跟蹤模式下，日出(05:20)后，跟蹤系統經過短暫的調整階段后在05:25～07:35時進入逆跟蹤模式，之后由于控制單元和限位組件對光伏組件進行了限位保護，理論跟蹤角度達到135°時保持靜止，因此出現一段平滑直線；在08:45～15:00之間時，理論跟蹤角度值呈線性變化并升至最大值，這表明此時跟蹤系統采用了正跟蹤模式；在15:00～16:20，同樣由于限位保護的原因，理論跟蹤角度保持在225°，隨后，跟蹤系統再次經過一段時間的逆跟蹤模式后，理論跟蹤角度降至185°，光伏支架進入夜間狀態。

為驗證光伏跟蹤系統的控制單元在帶負載運行時的可靠性，在江蘇省張家港市(120°E，31°N)某科技園戶外實驗區進行光伏跟蹤系統采用有逆跟蹤模式時控制單元的帶負載實地測試，并對光伏跟蹤系統的實際跟蹤角度進行了統計。測試日期為2019年5月7日，光伏組件的寬度為1.2 m，相鄰光伏支架的東西向最小間距為2.5 m。測試當天光伏跟蹤系統的時刻-實際跟蹤角度曲線如圖7所示。

圖7 時刻-實際跟蹤角度曲線Fig. 7 Curve of time-actual tracking angle

將光伏跟蹤系統采用有逆跟蹤模式時的實際跟蹤角度與理論跟蹤角度進行對比，并繪制相對于理論跟蹤角度而言，實際跟蹤角度的角度誤差柱狀圖，如圖8所示。由圖8可知，逆跟蹤階段(05:20～07:30和16:25～18:35)的實際跟蹤角度與理論跟蹤角度的跟蹤角度誤差范圍在±3°，正跟蹤階段(07:30～16:25)的跟蹤角度誤差范圍在±1°之內，符合《太陽能光伏發電系統用對日單軸跟蹤系統標準概要》中跟蹤精度在±10°以內的設計要求。

圖8 跟蹤角度誤差柱狀圖Fig. 8 Histogram of tracking angle error

產生跟蹤角度誤差的原因主要有：電動推桿調整的過程需要耗費時間，此時的理論跟蹤角度也在實時變化，導致跟蹤角度誤差較大；帶負載運行時或存在風荷載時均會對光伏支架結構產生細微影響，甚至會使光伏支架發生微小抖動；傳感器及測量工具在安裝和測量時人為造成的誤差。

4 結論

本文提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結合的光伏跟蹤系統，其能夠實現較高精度的追日跟蹤，克服了太陽光的變化對光伏跟蹤系統的影響；鑒于在實際環境中的工作狀態，該系統還增加了逆跟蹤模式、固定傾角模式、手動模式等工作模式。該系統基于STM32單片機進行電路設計，并進行實現了測試，測試結果表明，光伏跟蹤系統采用有逆跟蹤模式進行追日跟蹤時，在正跟蹤階段的跟蹤角度誤差在±1°以內，逆跟蹤階段的跟蹤角度誤差在±3°以內，能有效提高光伏發電系統的整體經濟效益。