光伏電池最大功率跟蹤系統設計

楊獲然 秦紅宇 董曉寶

摘要：通常情況下，考慮到收益的問題，我們總是希望光伏系統能發揮最大的功率，但太陽的光照強度隨著地球的自轉而發生改變，太陽能光伏系統的功率輸出也隨著日照和空氣的溫濕度而改變。光伏發電系統里的捕獲太陽能的電池陣列，因光照強度的影響，也降低了光伏電池的光照效率。所以建立光伏電池的跟蹤系統，能有效解決主觀因素帶來的能量的錯失。最大功率點跟蹤技術是光伏發電系統中關鍵的技術，光源跟蹤方法的設計，使現有的光伏系統能接收到更多的光能，使光伏發電運用到不同的場景中去。

關鍵詞：光伏發電;光源跟蹤;光線傳感器

引言

光伏發電不僅為綠色倡導，它工作的時候也沒有噪音，更不會對環境造成污染，在不同的場景都能運用，是當今社會的新能源，不會受到當今時代能源危機的干擾，反而以它的特點和優勢倍受世界的廣泛關注，光伏發電的核心元件是光伏電池，他能夠通過一系列化學反應把光能轉化為電能，所以光源的大小直接影響了光伏的發電效率，固定的發電方式在太陽光照不垂直于光照板時接收的光能有一定的局限性。因此，光伏電池最大功率跟蹤系統設計能有效的解決這一難題，提升了光伏發電系統的工作效率。

1跟蹤控制算法方案選擇

跟蹤控制的算法主要有概念控制法、增量電導法、恒壓法、階梯法、擾動觀察法、增加導電法等。從花費成本、難易程度、準確度和反應速度等方面全面科學的考量之后，本文選擇擾動觀察法。擾動觀察法的工作機理是給工作電壓實施一個干擾，電壓的變化引起輸出功率的變化。如果輸出功率變大則繼續持續不變的擾動，如若減小就改變方向。通過系統分析選擇的DC-DC轉化器的占空比為擾動對象，如果輸出功率隨著占空比光伏陣列增加而增加，那就繼續增加，反之則減少。

擾動觀察跟蹤算法有固定步長擾動觀察法和自適應步長擾動觀察法，因為結構比較簡單的特點，檢測少，對傳感器精度沒有太大的要求，容易操作。但也有利有弊，擾動進行時后系統會出現震蕩，引起功率損失。但擾動步長大小的選取要兼顧系統的穩定性能和動態性能。因此在光線強度變化緩慢的地方比較適合采用擾動觀察法較。但因不同的地域和不同的環境因素，光伏電池載量、溫度、和光照的大小都是呈現非線性，功率點的變化也在不停的發生變化。這樣的非線性系統如果使用模糊控制方法，將會得到一個比較不錯的效果。結合上文所講，本系統的擾動觀察法，測量參數少、硬件結構要求低、模糊控制算法簡單，同時提高了系統穩定性。

2系統結構組成

2.1光伏發電光源跟蹤控制系統

光伏發電光源跟蹤控制系統的特點是自動跟蹤系統通過實時跟蹤地球的自轉引起的對太陽光光照的運動，使太陽光垂直于光伏發電的電池板，從而增加光伏陣列接收到的太陽光照能量，提高光伏發電系統的發電量。使用廣泛的有四種太陽光伏自動跟蹤系統，包括水平單軸跟蹤、斜單軸跟蹤系統、垂直單軸跟蹤和雙軸跟蹤，主要由光伏供電裝置、光伏供電系統、逆變與負載系統、監控系統組成。該系統采各裝置結構和系統都具有獨立的功能。

2.2監控系統

監控系統的組成主要由計算機、力控組態軟件等結構組成，為對整個光伏發電光源跟蹤控制系統進行實時的監控，界面顯示器上顯示了主要有光伏供電系統、光伏供電控制、逆變與負載、曲線、系統報表等構造，可以對發電系統實施遠程控制。避免事故發生得不到及時處理從而影響發電效率。

2.3傳感器系統

傳感器安裝在太陽電池方陣上，與其同步運行。光線方向一旦發生細微改變，則傳感器失衡，系統輸出信號產生偏差，當偏差達到一定幅度時，傳感器輸出相應信號，執行機構開始進行糾偏，使光電傳感器重新達到平衡—即由傳感器輸出信號控制的太陽電池方陣平面與光線成角時停止轉動，完成一次調整周期。如此不斷調整，時刻沿著太陽的運行軌跡追隨太陽，構成一個閉路反饋系統，實現自動跟蹤。系統不需設定基準位置，傳感器永不迷失方向。系統設有防雜光干擾及夜間跟蹤電路，并附有手動控制開關，以方便調試。

2.4單雙軸跟蹤系統

雙軸跟蹤系統是在兩個方向上旋轉的自由度，因此它可以360度跟蹤太陽的高度角和方位角，使得輻射接收面始終垂直于太陽的入射方向，即在跟蹤范圍內太陽的入射角始終為零，最大化的利用太陽能資源。雙軸跟蹤系統一般沒有細化的分類，但雙軸跟蹤的實現形式，即實現兩個旋轉自由度的機械結構可以有多種形式

雙軸跟蹤雖然輻射接收量高，但由于其結構比較復雜，投入成本多，花銷大等不利條件限制了發展，而單軸跟蹤系統相對于雙軸跟蹤系統，在輻射接收量和成本等方面取得了相對較好的平衡，今年來的發展也更為迅速。單軸跟蹤系統只在一個方向上有自由度，結構相對簡單，但同時也就不能保證光能的接收全面的進行，只能是盡量的把太陽光的入射角減小，提高輻射接收量。單軸跟蹤系統的比雙軸跟蹤系統結構要多一些，總體上可分為斜單軸跟蹤系統、平單軸跟蹤系統和垂直軸跟蹤系統。

3實驗測試

3.1測試內容

在同樣的光照強度和相同的環境條件下，分別用固定的光伏發電設備和跟蹤設備，首先把功率相同的投射燈放置在擺桿上端模擬太陽光，模擬器從東往西模擬地球的自轉，起始角為60度，終止角為120度，每次旋轉3.24度;分別記錄兩種設備下光伏電池陣列的輸出電壓、電流，計算輸出功率，畫出光伏發電功率折線圖做為對比。

3.2測試方式

固定式發電：把擺桿調至位置中心，與水平面保持垂直;調節光伏電池方陣把方陣正面對著投射燈，并使方陣平面與地面夾角為45°固定起來;使擺桿自東向西旋轉，并記錄每次旋轉光伏電池陣列輸出的電流與電壓，計算設備輸出功率。光源跟蹤式發電：前面步驟同固定式發電一樣，先打開擺桿自動旋轉系統使擺桿自東向西旋轉，同時打開光伏發電自動跟蹤系統，使光伏電池陣列與入射光線一直保持垂直的狀態，觀察自轉情況避免自動旋轉系統突發狀況，然后記錄下光伏電池陣列輸出的電流與電壓，由此計算輸出功率。

結語

降本增效即降低成本增加效率是光伏行業亙古不變的主題，因為只有光伏發電成本持續下降，才能加快光伏行業前進的步伐，才能成為更具競爭力的電力產品。本文對于光伏發電中光能源是否能全面捕獲的問題，主要對光伏電池的跟蹤系統進行了研發，設計出了光伏發電系統的跟蹤流程的內部結構圖，確定了三維導圖，用光線傳感器實現太陽光360度追蹤，設計光源跟蹤控制策略。最終通過實驗結果證明了跟蹤光源獲能的有效性。在光伏電池陣列工作穩定的情況下，光伏發電跟蹤控制系統大大提高了掛不辜負發電的效率。通過對固定式光伏發電獲得的最大功率和跟蹤光伏發電獲得最大功率的對比，發現本文所設計的光伏發電最大功率點固定式發電的功率遠不如跟蹤控制系統的發電功率，跟蹤光伏發電效設備的運用，顯著提高了發電效率，同時對太陽能光伏電池組件得到了充分的利用。該系統能夠自動化管理，自己調節垂直于光照的排列位置，使其時時刻刻都與太陽正對，保證太陽透射的光線始終垂直于電池板上，提高光能組件的發電量。

參考文獻

[1]吳修權，劉偉麗，姜明明.光伏電池最大功率跟蹤系統設計[J].電池工業，2021，25（03）：119-121+159.

[2]馬列，劉陽，董志鵬，孟琦煜，伏際超.基于Arduino的太陽能電池板最大光功率跟蹤系統[J].沈陽工程學院學報（自然科學版），2019，15（01）：68-72.

[3]廖勇，過李嶠.光伏發電最大功率點跟蹤系統設計及潮流計算[J].無線互聯科技，2019，16（01）：47-49.

[4]章達賓，朱其祥，張家齊.模糊控制的光伏發電MPPT系統設計[J].福州大學學報（自然科學版），2018，46（06）：906-910.