摘要：太阳能追踪系统是保持太阳能电池板随时正对太阳，让太阳光的光线始终垂直照射太阳能电池板的装置。利用该系统，能够显著提高光伏发电设备的发电效率。本文现对太阳能追踪系统的设计进行简要介绍。在当今能源枯竭，资源紧张的现实状况下，寻找新能源成为大家关注的话题。太阳能是地球上的清洁能源，取之不尽，用之不竭，利用太阳能资源的光伏发电技术就是太阳能资源利用的一种。将光伏发电接入电力系统，是利用太阳能资源的关键一步。
关键词：光伏发电；太能能；追踪系统；保护系统。
1 太阳能追踪系统的基础数据
太阳光照射地面的角度与地球的运动轨迹有着直接的关系，太阳照射的角度是太阳能追踪系统运行的最基本数据。地球每天自转1周，每365天围绕太阳公转1周，太阳光线与地球赤道面所夹的圆心角，即为太阳赤纬角δ，赤纬角变化范围为±23°27′。太阳所在的时圈与通过春分点的时圈（春分圈） 构成的夹角为时角α，每小时的时角为15°，如图1所示。
图1 赤纬角和时角示意图
不同纬度的地球地面上，太阳光线与地面之间的夹角称为高度角H，可以根据光伏发电设备所在地理纬度φ和太阳赤纬角δ，观测时的太阳时角α用下式求出。
sin H=sinδ·sinφ+cosδ·cosφ·cosα
太阳的方位角A可以根据太阳高度角H，时角α及赤纬角δ用下式求出。
sin A=cosδ·sinα/cos H
太阳高度角和方位角确定后，太阳的位置也就确定了。光伏发电设备所在位置的经纬度坐标可以通过GPS全球定位系统获得，其他太阳能追踪系统运行所需要的数据都可以计算或查阅相关资料获得。
2 太阳能追踪系统的设计
2.1 太阳能追踪系统基本结构
太阳能追踪系统主要包括三大主要模块：追踪太阳高度角和方位角的感应模块；调整光伏发电装置角度和位置的驱动模块；根据感应模块获取信息，进行综合分析和计算，控制驱动模块进行调整的控制模块。另外，为实现上述模块的功能，还需有电源等其他附属模块，具体见图2。
图2 太阳能追踪系统示意图
2.2 追踪工作模式的选择
根据追踪工作模式的不同，太阳能追踪系统主要分主动式追踪系统和被动式追踪系统。主动式追踪系统使用光敏传感器感应太阳的位置，位置发生偏差，感应器会产生微电流或微电压变化，经放大电路放大，系统自动调整光伏发电设备的角度和位置，完成对太阳轨迹的跟踪。被动式追踪系统根据当前的时间，计算出太阳的高度角和方位角，按照设定好的程序，调整光伏发电设备的角度和位置，完成对太阳轨迹的跟踪。主动式追踪系统遇到大片云朵移动会发生误感应；被动式追踪不够智能，在光照不佳时也会工作。目前，最好的追踪模式是采用主动和被动相结合，以被动式追踪为基础，增加各种主动感应器，改进控制模块设计，实现完美追踪及自动修正。
2.3 控制模块的设计
早期控制模块多采用单片机技术设计，对工作时钟要求较高，界面不够友好且开发难度较大。随着科技发展，计算精度更高的界面更友好的超小型计算机发展很快，国外也出现了采用树莓派小型PC作为控制终端的案例。在互联网技术高度发达的今天，采用网络授时、远程控制的终端具有更广阔的应用前景。
由于太阳方位角的变化相对较慢，太阳能追踪系统不需要持续大角度调整光伏发电设备的角度和位置。控制模块多采用间歇式工作的方式发出动作指令，其他时间控制模块可处于小功耗待机状态，减少太阳能追踪系统自身的能量消耗。
2.4 驱动模块的设计
2.4.1 驱动方向轴的选择
按照驱动装置轴向分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。所谓单轴是指仅能够在水平方向跟踪太阳位置，在高度上根据地理和季节的变化人工进行调节，增加了管理难度。双轴跟踪可以在水平和高度两个方向跟踪太阳轨迹，显然双轴跟踪优于单轴跟踪，但双轴追踪系统结构更为复杂，造价也更高。
2.4.2 驱动动力的选择
太阳能追踪系统间歇式的调整方式决定了驱动动力的选择。而步进电动机就是一种非常好的选择：将电脉冲信号转变为角位移、线位移，从而控制光伏发电设备的角度和位置。步进电动机的转速、停止的位置取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动电动机按设定的方向转动固定的角度，称为步距角，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确的定位。步进电动机的精度一般为步进角的3%—5%且不累积。
采用蜗轮蜗杆传动。蜗轮蜗杆传动可以得到很大的传动比，相当于多齿啮合传动，其传动平稳、噪声小。机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，这也为系统的准确定位增加了可靠性。
2.5 保护系统的设计
当环境风速或降雨、降雪、冰冻等因素不适宜光伏发电系统工作时，太阳能跟踪系统会自动停止工作，并使整个系统的受光面与地平面成平行状态或垂直状态，以避免系统遭到破坏。同时，光伏发电设备的支撑系统应具有足够的稳定系数，抵抗恶劣天气的影响。国外设计出花瓣式的光伏发电系统，太阳能电池板可以像花瓣一样打开或折叠，具有仿生设计，像向日葵一样追踪太阳能，夜间或特殊天气，太阳能电池板像花瓣一样折叠在一起，该系统占地面积小，可靠性较高。
3 小结
在保证安全可靠的前提下，太阳能追踪系统设计应尽量降低总造价，一般小型分布式光伏发电系统，其太阳能追踪系统造价在1 000—2 000元。采用太阳能追踪系统的光伏发电设备发电能量可以增加40%，系统自身耗能较低，年耗电能量仅几十千瓦时，具有较高的推广应用价值。
论文作者:赵冰清
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/7/9
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