太阳能光伏技术中的跟踪系统

太阳能跟踪器是用于将光伏组件对准太阳或引导阳光至光伏电池片的机械装置。光伏跟踪器可分成两种类型：非聚光光伏（PV）跟踪器及聚光光伏（CPV）跟踪器。此两类型的跟踪器的每一种可以根据它们的跟踪轴的数量，驱动器架构及传动方式，跟踪器应用场合，基础及其上的支撑结构等来进行细分。

非聚光光伏组件跟踪器是实现最小化光线与光伏组件之间的入射角的装置。增加了相同太阳光能量输入转化能力的设备。光伏组件可接收直射光及各个角度的散射光。这意味着非聚光光伏跟踪器系统在没有正对太阳的情况下也能发电。非聚光光伏跟踪器系统的作用是增加直射光部分的发电量，同时较固定式安装光伏系统增加了发电时间进而增加发电量。在非聚光光伏系统中，直射光束产生的能量与入射光与组件的夹角呈cos比值下降。于是±5°精度的跟踪器能将直射光束中超过99．6%用于能量转化。因此，高精度跟踪器对于非聚光系统一般不需要。

聚光光伏跟踪器用于实现聚光光伏系统的光路工作。跟踪器使聚光组件对准太阳或聚焦太阳光到光伏接收器上。直射的太阳辐射光而不是散射光是CPV组件的主要能量源。特别的光路设计使直射光聚焦在光伏电池上。如果焦点没有准确保持，功率输出就会大幅下降。如果CPV组件聚光是一维的，就需要单轴跟踪器，如果CPV组件聚光是二维的，就需要双轴跟踪器。在聚光组件中，跟踪精度需求一般与组件可接收半角相关，如果太阳指向误差小于组件可接收半角，组件一般来说功率输出大于90%的额定功率。

光伏跟踪器根据转轴的数量与方位分成单轴跟踪器和双轴跟踪器两类。

单轴跟踪器有一个自由度是起转动轴，有几种不同的单轴跟踪器的实现方式方法。包括水平单轴跟踪器（见图13．18），垂直单轴跟踪器（见图13．19），斜单轴跟踪器（见图13．20）。水平单轴跟踪器的转轴相对地面是水平的。垂直单轴跟踪器的转轴相对地面是竖直的。在一天中跟踪器从东转到西。所有位于水平和垂直之间的单轴跟踪器均为斜单轴跟踪器。倾斜角通常受限于减小风剖面的需要及减小抬高的一头的离地高度的需要。极地对齐斜单轴跟踪器是一种特别的斜单轴跟踪器，在这种方式中，倾角等于安装地点的纬度。这样跟踪器的转轴与地球的转轴对齐。

单轴跟踪器转轴通常与子午线（线线）对齐。也有可能在用更先进的跟踪算法的基础上对齐任何地面方位。

组件相对于转轴的方向在模拟系统时很重要。水平与斜单轴跟踪器的组件表面一般平行于转轴，组件跟踪太阳时扫过轨迹相对于转轴成圆柱形或者圆柱的一部分。垂直单轴跟踪器组件表面一般与转轴形成一个角度，组件跟踪太阳时扫过轨迹对称于转轴的一个圆锥。

图13．18　水平单轴太阳跟踪器

图13．19　垂直单轴太阳跟踪器

图13．20　斜单轴太阳跟踪器

双轴跟踪器有两个用于旋转的自由度。这些转轴通常互相垂直。固定于地面的轴可称为主轴，固定于主轴上的可称为第二轴。双轴跟踪器有几种实现方式。由主轴相对于地面方向来分类。通常的两种方式是顶倾式跟踪器及方位角－高度角式跟踪器。双轴跟踪器的组件通常平行于第一转轴。

关于方位角约定的定义是“东对北的度数”（如0°方位角为指北，90°方位角为指东）

关于高度角约定的定义是“向上对水平的度数”如图13．21所示，天顶角为高度角的补角（天顶角＝90°－高度角）

图13．21　高度角定义

图13．22　顶倾式双轴跟踪器

其中θ＝高度角＝0°（天顶角＝90°）此时组件表面的法线指向地平线；高度角＝90°（天顶角＝0°）此时组件面向天空。

图13．21的定义用于描述角度，在描述清楚的情况下其它的定义也可接受，例如，一个跟踪器的运动范围可以描述为“方位角从＋45到＋315°”或者“从南方开始方位角±135°”。

顶倾式双轴跟踪器（见图13．22）的主轴平行于地面，第二轴通常垂直于主轴。顶倾式跟踪器的转轴通常对齐正北或东西纬线。极向式双轴跟踪器就是一种。

方位角—高度角式双轴跟踪器（见图13．23）的主轴垂直于地面，第二轴通常垂直于主轴。

图13．23　方位角—高度角式双轴跟踪器

双轴跟踪器有两种常用的驱动与控制架构：分散式驱动与联动式驱动。有多种具体实现方式。在分散式驱动架构中，每个跟踪器和每个转轴均为独立驱动与控制的。在联动式驱动架构中，一个驱动系统驱使多个转轴同时动作。这样可以在一个跟踪器中有多个相同的转轴或多个跟踪器排成一个阵列。

有三种动力驱动类型应用于太阳能跟踪器中：

（1）电动驱动。电动驱动系统将电能转化为交流电机、直流有刷电机或直流无刷电机旋转运动。电机配上齿轮箱减速以达到高转矩。齿轮箱的最后一级传递直线运动或旋转运动以推动跟踪器的转轴。(www.xing528.com)

（2）液压驱动。液压驱动系统采用液压泵来产生液压。液压经由阀，各种管道至液压马达及液压缸。液压马达及液压缸将根据需要调整好了的机械运动传递给跟踪器需要的直线或旋转运动。

（3）被动驱动。被动系统采用液压压差来驱动跟踪器转轴。压差由不同阴影制造的不同热梯度来得到。跟踪器运动以使此压差达到平衡。

跟踪器控制类型：

（1）被动控制。被动式太阳能跟踪器通常依靠环境的力量产生流体密度变化，此变化提供的内力用来使组件跟踪太阳。

（2）主动控制。主动式太阳能跟踪器采用外部提供的电源来驱动电路及执行器件（电机，液压等）来使组件跟踪太阳。开环控制是不采用直接感知太阳位置的传感器的跟踪方式。它采用数学计算太阳位置的方式（基于一天内的时间，日期，地点等等）来决定跟踪器的方向应该在哪里并由此来驱动跟踪器的传动系统。这里的开环控制并不是指执行元件本身不提供反馈控制；执行元件可能是带有编码器的伺服电机，本身可能是采用PID及类似的控制器。开环控制指的是控制算法中没有实际跟踪误差的反馈。闭环控制采用某种反馈（如光学的太阳位置传感器或组件功率输出）来决定如何驱动传动系统和组件的位置的主动跟踪方式。混合太阳位置算法（开环的历法编码）和闭环的太阳位置传感器数据的主动跟踪方式。

图13．24　太阳跟踪器跟踪误差

随着聚光比的提高，聚光光伏系统能接收到光线的角度范围就会变小，为了更加充分地利用太阳光，使太阳光总是能够精确地垂直入射在聚光电池上，一般情况下，对于聚光比超过10的聚光系统，为保证聚光效果，应该采用跟踪系统，特别是高倍聚光系统，只要太阳光稍微偏离电池，其发电量就会急剧下降，其聚光比越大，跟踪太阳的精度要求就越高，聚光比为1 000时要求跟踪精度误差小于0．3°（跟踪误差见图13．24所示），所以高倍聚光系统必须配备高精度的双轴跟踪装置。现在太阳跟踪器已经成为高倍聚光系统的关键部件之一，根据统计，高倍聚光光伏系统失效有90%是与太阳跟踪器发生故障有关。

太阳每天从东向西运动，高度角和方位角在不断改变。同时在一年中，太阳赤纬角还在－23．45°～＋23．45°之间来回变化。当然太阳位置在东西方向的变化是主要的，在地平坐标系中，太阳的方位角每天差不多都要改变180°，而太阳赤纬角在一年中的变化也只有46．90°，聚光光伏系统的太阳能自动跟踪器关键技术是精确跟踪太阳，所以又有单轴跟踪和双轴跟踪之分，单轴跟踪只在东西方向跟踪太阳，双轴跟踪则除了东西方向外，同时还在南北方向跟踪。显然双轴跟踪的效果要比单轴跟踪好，当然后者的结构比较复杂，价格也比较高。点聚光结构的聚光器一般要求双轴跟踪，线聚光结构的聚光器仅需单轴跟踪，有些简单的低倍聚光系统也可不用跟踪装置。

综上所述，高倍聚光光伏太阳能技术是一个被国内外广泛重视，被许多公司重金投入的高效率利用太阳能发电的新型太阳能技术。这项技术的发展已经到了成熟期，被许多国内外的太阳能电站投资者所认可，并被逐步地使用到太阳能电站的建设中。随着市场的扩大、规模化生产的建立，高倍聚光光伏将快速降低生产成本，具备与其他光伏同台竞争的价格优势。

由于国际经济的整体下滑，和近年来晶体硅光伏组件的急剧价格下跌，高倍聚光光伏技术和产业的发展受到一定影响，但集创造性和先进性为一身的高倍聚光光伏太阳能，有可能成为我国技术发展的新亮点和太阳能产业发展的新支柱。虽然高倍聚光技术不一定会成为太阳能的终极方案，但一定是一个重要方向。

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