聚光型太陽能光伏發電自動跟蹤系統探討

劉細珠

(江西新能源科技職業技術學院，江西 新余 338000)

在分析光伏電池的輸出特性與光照強度及溫度之間的關系基礎上，采用聚光型菲爾透鏡，增強太陽光輻射強度，以提高光伏系統發電效率為目的。為達到理想的效果，采用光照角度跟蹤法對太陽光線自動跟蹤，使太陽光始終垂直照射在光伏電池面板上，以達到最佳光電轉化效果。

1 聚光型太陽能發電系統組成

我們知道太陽能發電實際上是光生伏特現象，即太陽光照射到光伏電池表面，光伏電池吸收具有一定能量的光子，在電池內部產生處于非平衡狀態的電子—空穴；從而在P-N結附近形成與內建電場方向相反的光生電場，于是產生由N區指向P區的光生電動勢。太陽光是隨時間和季節變化而變化，為了在光伏發電系統中最大限度利用太陽光，同時降低發電成本，除了考慮光線照射角度外，我們還可使光線先聚集，然后才照射到光伏電池表面。這樣就可大大提高太陽光的轉化效率，即降低了發電成本。國內研究現狀：由于目前聚光型發電系統技術路線各異，產業鏈尚未成形，規模效益難以體現。總的來說：聚光光伏電站的商業化運營目前在全球范圍內仍處于起步階段，最根本的原因還是成本太高。技術路線主要集中在CSP型或CPV型系統上，CSP聚光型發電系統主要是：槽式、塔式、蝶式3種，它是將太陽光先聚焦后反射到聚熱器上的方式，與傳統的太陽能電池有較大區別，本文對CSP發電系統不展開討論。CPV型發電系統主要是在原有傳統的硅晶陣列上方使用菲爾透射鏡，將大面積的太陽光匯聚到面積相對較小的光伏電池表面，光照強度因此加強，光電轉化效率大大提高。CPV技術因其光電轉化效率高，土地在原有使用面積的基礎上占用率小，因此CPV技術可用于建造大型支撐電池的最理想的太陽能發電技術。

2 太陽能電池的特性

要想充分掌握太陽能電池的特性，首先要了解太陽能電池的等值電路。

圖1電池的等值電路中可知電路中存在4個電參數，1是暗電流Id；2是負載電流Il；3是短路電流Iab；4是開路電壓Udc。從等值電路中可知，光伏電池的轉化率1與材料本身的性質有關(暗電流不受光照影響)；2與光照強度有密切關系(短路電流和開路電壓)。圖2光伏電池的伏安特性曲線圖可得出，光伏電池受不同光照射下的伏安特性明顯不同，光照強度大和溫度高的曲線輸出的電壓和電流幾乎呈幾何級數提高。因此，在光伏發電系統首要問題是如何提高光照強度。CPV技術正是為解決光伏發電系統光照問題而探索。我國目前的光伏電站采用的都是傳統的多晶和單晶硅電池陣列系統，CPV聚光型只是在原有的電池陣列上方再加一塊面積比光伏面板大1倍-2倍的菲爾透鏡，二者間距需通過實驗數據確定。①考慮透鏡的聚焦倍率不應太高，否則如光線最強時會引起光伏電池表面溫度太高(不能超180度)，損壞或縮短電池組件的壽命。②實際安裝時還需考慮人身安全和設備安全(惡劣天氣對設備和維修的影響，同時考慮晶硅電池在未減少原有使用壽命的基礎上聚光倍率最高。光電轉化效率最高)，最大限度降低發電成本。

圖1 電池的等效電路

圖2 電池在不同光照下伏安特性曲線

3 光伏發電自動跟蹤系統設計

光伏發電自動跟蹤系統方案較多，有單軸、有雙軸聯動，有嵌入式控制、有單片機或可編程控制器控制。光伏發電現國內外都朝著高靈活性、多維、大范圍跟蹤角度的全自動太陽能跟蹤控制系統方向發展。但所有系統都應考慮：①成本，只有成本低，才有規模化。②太陽光線最佳利用率。即在分析太陽運行規律的基礎上結合光伏電池的輸出特性，使之成本的投入和產出(發電成本)達到最佳配比。考慮上述因素，自動跟蹤系統采用成本較低的光敏傳感器與單片機電路的單軸系統來進行設計。要設計一個自動控制跟蹤系統，首先要建立一個科學的數學模型，在建模過程中即要考慮光伏發電系統工程模型的實用性和經濟性，又要考慮在工程準確度允許的情況下盡可能簡化模型。根據光伏電池的輸出特性(有的數據在電池組件上有標出)，得到光伏電池輸出的I-V特性曲線。

圖3 光伏電池的輸出特性

通過上述特性曲線推導建立光伏電池的仿真模型。此模型為非標準測試環境下的電池模型，建立此模型后還需根據參考的光照強度和參照電池溫度下的Ise、Idc、Imp、Vmp，推算出新光照強度和溫度下(實際強度和溫度)的Ise、Voc、Imp、Vmp,得出新的輸出特性曲線，模型中的Ise、Voc、Imp、Vmp是受光照強度和溫度條件影響的變量;但其輸出能夠準確反映輸出特性曲線隨光照和溫度的變化規律。規律之一是隨光照強度的增加，光伏電池電流變化明顯，在溫度恒定的條件下，光伏電池的輸出功率是隨著光照強度的增加而迅速增加。為了增加光照強度，電池面板須整天使陽光都垂直照射。因此光伏系統須安裝太陽光自動跟蹤裝置，確保整個光伏系統輸出功率的最大(即提高光電轉化效率)。規律之二是溫度對電池輸出特性的影響，當溫度升高時，光伏電池的開路電壓降低，且變化較大，而短路電流隨溫度升高也增大，但變化幅度小。由于電壓和電流隨溫度變化不同，故光伏電池轉換效率具有負的溫度系數(即轉換效率隨溫度升高而降低)。綜合上述兩種規律設計要求，討論光伏發電自動跟蹤系統采用光電跟蹤模式。將光電管分別置于光伏電池陣列平面的兩個點上，當太陽光線直射光伏陣列時，光敏管將光信號轉換成電信號的數值偏差在規定范圍內時，伺服電機不轉動。但隨著太陽的位置發生變化(即光線不再是垂直照射)，兩個光敏管檢測到的電信號偏差逐漸增大而超過規定范圍，經放大電路將偏差信號放大后控制跟蹤裝置產生動作而重新使光伏陣列與太陽光保持垂直，隨時對準太陽完成整個跟蹤。系統技術路線：可行性分析——需求分析——概要設計——詳細設計——具體實現——軟件測試。將本系統分為4個模塊進行設計：聚光模塊、光電轉換模塊(光伏電池)、太陽跟蹤模塊、軟件控制模塊。對光伏自動跟蹤控制系統的硬件進行總體設計，并對各個功能模塊電路進行設計。設計軟件控制方案，結合系統硬件完成試驗平臺的搭建。

4 結束語

光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當偏差超過一個閾值時，執行機構調整光伏陣列的位置，直到使太陽光線與光伏陣列光軸重新平行，實現對太陽高度角和方位角的跟蹤。聚光型太陽能發電系統由于采用了自動跟蹤控制系統，能夠有效地利用太陽能，平均每天的可發電時間延長3h，提高太陽能的利用率30%以上。CPV技術因其光電轉化效率高、土地占用面積小等特點，是在可預見的未來時間里，可用于建造大型支撐電源的最理想的太陽能發電技術。同時聚光光伏系統的設計必須充分考慮太陽能電池的光電轉換效率、太陽能電池散熱、性能衰減、跟蹤系統的誤差、熱變形、風壓變形及抗風能力、雨雪、風沙灰塵等各方面原因對系統性能的影響，而在充分考慮這些因素的同時，必須將系統成本控制在合理的范圍。綜上所述，聚光型光伏發電系統由于更節能、更環保、發電效率更高，因此，聚光型光伏發電系統產業化會逐步發展，其應用會穩步推進。