阳光跟踪控制系统 - 实现太阳能高效利用

阳光跟踪控制系统是位置给定值随时间变化的位置控制系统，一般称为伺服控制系统或随动系统（Servo Mechanism）。阳光跟踪系统可采用两种跟踪方法。一种是所谓时钟跟踪法，即根据当前日期和时间得到此刻太阳的高度角和方位角，然后驱动伺服机构据此数据对准太阳。这种系统如果采用步进电动机或以具有脉冲输入的伺服电动机驱动，则可以看作开环系统。另一种跟踪方法则不采用上述计算数据，而是采用传感器对太阳进行观测以获取太阳的实时位置，这种系统是典型的闭环控制位置伺服系统。

1.时钟跟踪法

这一方法是根据光伏发电系统所在地理位置的时间，计算出太阳的高度角α和方位角ψ，从而确定驱动系统由当前位置开始应该动作的方向和距离。这一方法对采光装置的安装有较高的要求，海拔高度和地面安装的水平度等都可能对定位的准确性产生影响，而驱动系统的开环控制有可能产生累积误差。

2.传感器跟踪法

传感器跟踪法的基本原理是把不同位置的光敏元件（如光电池）上在阳光照射下产生的模拟信号经过调理后送入控制器转换成为数字量，通过比较、分析和决策，控制驱动机构动作使光伏电池的受光面维持与入射阳光垂直。

图8-5是两种典型的四光敏元件跟踪传感器的设计，这两种传感器的底面与受光面方向一致，其纵边对准南北方向。在通过放大和调理使四个传感器的输出特性一致的前提下，当传感器对准太阳时四路输出是相等的，控制器就可以判定受光面已对准太阳。当传感器没有对准太阳时，由于隔板和立柱的存在，四个传感器的输出就会产生差异，控制器将根据差异的性质来驱动受光面朝正确的方向旋转，最终对准太阳。

图8-5 跟踪探头与控制系统结构(www.xing528.com)

这种传感器也可以制作成独立的太阳位置检测装置，这就需要传感器自带二轴伺服机构，并且每个轴上配备如编码器之类的位置传感器。这种独立的太阳位置传感器可为同一地理位置的多个系统提供实时太阳位置数据，例如可为阳光跟踪系统群所共用，也可为后面将介绍的多平面镜聚光系统提供太阳位置基准数据。

另一种值得探讨的传感器跟踪方法为图像跟踪方法。对于北半球北回归线以北地区来说，地面上观测的太阳运动轨迹基本为自正东到正西方向移动的一条0～180°曲线。固定安装的全景数码照相机可摄取天空图像，对图形的处理在原理上可获取包括太阳位置在内的信息。

光敏元件法电路比较简单，但存在光敏元件的个性差异及长时间运行的老化所导致的缺点。图像跟踪方法需要通过复杂的图形处理以克服超广角镜头导致的图像变形等一类问题，同时对处理器要求较高。时钟跟踪法不用增加硬件电路，可以通过软件计算出每天每个时刻的太阳位置，处理简单，但是存在累积误差。

图像传感器方法也存在一些需要解决的问题，例如阴天天空的光线以散射为主，云朵遮挡太阳都可能使传感器位置检测产生误判。但这些问题都是可以通过技术手段来加以解决的。

阳光跟踪系统除了需要使光伏电池板在白天任何时刻都对准太阳之外，还需具有一些其他的如夜间自动返回原始位置，遇到大风时自动放平等控制和保护功能。

最后需要提及的是阳光跟踪系统的功耗问题。任何伺服系统无论其功率如何小，如果始终连续运行的话，对于低能量密度的光伏发电系统来说都是不合算的。幸运的是阳光的跟踪并不要求很高的精度，从cos5°=0.996可知阳光跟踪的关键是要避免入射角度的大幅度偏离，而小角度偏离则是可以容忍的。跟踪系统的方位角每4min变化1°，而高度角的变化则更为缓慢。因此跟踪系统可以以较长的时间间隔（例如10min）执行断续的耗时很短的位置调节操作，而在其他大部分时间内关闭驱动机构电源和控制器的主电源，只需要提供维持控制器定时唤醒机制的最小功耗，其结果是跟踪机构消耗的电能远远小于通过跟踪而增加的电能。