光伏电池最大功率跟踪系统设计

杨获然 秦红宇 董晓宝

摘要：通常情况下，考虑到收益的问题，我们总是希望光伏系统能发挥最大的功率，但太阳的光照强度随着地球的自转而发生改变，太阳能光伏系统的功率输出也随着日照和空气的温湿度而改变。光伏发电系统里的捕获太阳能的电池阵列，因光照强度的影响，也降低了光伏电池的光照效率。所以建立光伏电池的跟踪系统，能有效解决主观因素带来的能量的错失。最大功率点跟踪技术是光伏发电系统中关键的技术，光源跟踪方法的设计，使现有的光伏系统能接收到更多的光能，使光伏发电运用到不同的场景中去。

关键词：光伏发电;光源跟踪;光线传感器

引言

光伏发电不仅为绿色倡导，它工作的时候也没有噪音，更不会对环境造成污染，在不同的场景都能运用，是当今社会的新能源，不会受到当今时代能源危机的干扰，反而以它的特点和优势倍受世界的广泛关注，光伏发电的核心元件是光伏电池，他能够通过一系列化学反应把光能转化为电能，所以光源的大小直接影响了光伏的发电效率，固定的发电方式在太阳光照不垂直于光照板时接收的光能有一定的局限性。因此，光伏电池最大功率跟踪系统设计能有效的解决这一难题，提升了光伏发电系统的工作效率。

1跟踪控制算法方案选择

跟踪控制的算法主要有概念控制法、增量电导法、恒压法、阶梯法、扰动观察法、增加导电法等。从花费成本、难易程度、准确度和反应速度等方面全面科学的考量之后，本文选择扰动观察法。扰动观察法的工作机理是给工作电压实施一个干扰，电压的变化引起输出功率的变化。如果输出功率变大则继续持续不变的扰动，如若减小就改变方向。通过系统分析选择的DC-DC转化器的占空比为扰动对象，如果输出功率随着占空比光伏阵列增加而增加，那就继续增加，反之则减少。

扰动观察跟踪算法有固定步长扰动观察法和自适应步长扰动观察法，因为结构比较简单的特点，檢测少，对传感器精度没有太大的要求，容易操作。但也有利有弊，扰动进行时后系统会出现震荡，引起功率损失。但扰动步长大小的选取要兼顾系统的稳定性能和动态性能。因此在光线强度变化缓慢的地方比较适合采用扰动观察法较。但因不同的地域和不同的环境因素，光伏电池载量、温度、和光照的大小都是呈现非线性，功率点的变化也在不停的发生变化。这样的非线性系统如果使用模糊控制方法，将会得到一个比较不错的效果。结合上文所讲，本系统的扰动观察法，测量参数少、硬件结构要求低、模糊控制算法简单，同时提高了系统稳定性。

2系统结构组成

2.1光伏发电光源跟踪控制系统

光伏发电光源跟踪控制系统的特点是自动跟踪系统通过实时跟踪地球的自转引起的对太阳光光照的运动，使太阳光垂直于光伏发电的电池板，从而增加光伏阵列接收到的太阳光照能量，提高光伏发电系统的发电量。使用广泛的有四种太阳光伏自动跟踪系统，包括水平单轴跟踪、斜单轴跟踪系统、垂直单轴跟踪和双轴跟踪，主要由光伏供电装置、光伏供电系统、逆变与负载系统、监控系统组成。该系统采各装置结构和系统都具有独立的功能。

2.2监控系统

监控系统的组成主要由计算机、力控组态软件等结构组成，为对整个光伏发电光源跟踪控制系统进行实时的监控，界面显示器上显示了主要有光伏供电系统、光伏供电控制、逆变与负载、曲线、系统报表等构造，可以对发电系统实施远程控制。避免事故发生得不到及时处理从而影响发电效率。

2.3传感器系统

传感器安装在太阳电池方阵上，与其同步运行。光线方向一旦发生细微改变，则传感器失衡，系统输出信号产生偏差，当偏差达到一定幅度时，传感器输出相应信号，执行机构开始进行纠偏，使光电传感器重新达到平衡—即由传感器输出信号控制的太阳电池方阵平面与光线成角时停止转动，完成一次调整周期。如此不断调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路反馈系统，实现自动跟踪。系统不需设定基准位置，传感器永不迷失方向。系统设有防杂光干扰及夜间跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试。

2.4单双轴跟踪系统

双轴跟踪系统是在两个方向上旋转的自由度，因此它可以360度跟踪太阳的高度角和方位角，使得辐射接收面始终垂直于太阳的入射方向，即在跟踪范围内太阳的入射角始终为零，最大化的利用太阳能资源。双轴跟踪系统一般没有细化的分类，但双轴跟踪的实现形式，即实现两个旋转自由度的机械结构可以有多种形式

双轴跟踪虽然辐射接收量高，但由于其结构比较复杂，投入成本多，花销大等不利条件限制了发展，而单轴跟踪系统相对于双轴跟踪系统，在辐射接收量和成本等方面取得了相对较好的平衡，今年来的发展也更为迅速。单轴跟踪系统只在一个方向上有自由度，结构相对简单，但同时也就不能保证光能的接收全面的进行，只能是尽量的把太阳光的入射角减小，提高辐射接收量。单轴跟踪系统的比双轴跟踪系统结构要多一些，总体上可分为斜单轴跟踪系统、平单轴跟踪系统和垂直轴跟踪系统。

3实验测试

3.1测试内容

在同样的光照强度和相同的环境条件下，分别用固定的光伏发电设备和跟踪设备，首先把功率相同的投射灯放置在摆杆上端模拟太阳光，模拟器从东往西模拟地球的自转，起始角为60度，终止角为120度，每次旋转3.24度;分别记录两种设备下光伏电池阵列的输出电压、电流，计算输出功率，画出光伏发电功率折线图做为对比。

3.2测试方式

固定式发电：把摆杆调至位置中心，与水平面保持垂直;调节光伏电池方阵把方阵正面对着投射灯，并使方阵平面与地面夹角为45°固定起来;使摆杆自东向西旋转，并记录每次旋转光伏电池阵列输出的电流与电压，计算设备输出功率。光源跟踪式发电：前面步骤同固定式发电一样，先打开摆杆自动旋转系统使摆杆自东向西旋转，同时打开光伏发电自动跟踪系统，使光伏电池阵列与入射光线一直保持垂直的状态，观察自转情况避免自动旋转系统突发状况，然后记录下光伏电池阵列输出的电流与电压，由此计算输出功率。

结语

降本增效即降低成本增加效率是光伏行业亘古不变的主题，因为只有光伏发电成本持续下降，才能加快光伏行业前进的步伐，才能成为更具竞争力的电力产品。本文对于光伏发电中光能源是否能全面捕获的问题，主要对光伏电池的跟踪系统进行了研发，设计出了光伏发电系统的跟踪流程的内部结构图，确定了三维导图，用光线传感器实现太阳光360度追踪，设计光源跟踪控制策略。最终通过实验结果证明了跟踪光源获能的有效性。在光伏电池阵列工作稳定的情况下，光伏发电跟踪控制系统大大提高了挂不辜负发电的效率。通过对固定式光伏发电获得的最大功率和跟踪光伏发电获得最大功率的对比，发现本文所设计的光伏发电最大功率点固定式发电的功率远不如跟踪控制系统的发电功率，跟踪光伏发电效设备的运用，显著提高了发电效率，同时对太阳能光伏电池组件得到了充分的利用。该系统能够自动化管理，自己调节垂直于光照的排列位置，使其时时刻刻都与太阳正对，保证太阳透射的光线始终垂直于电池板上，提高光能组件的发电量。

参考文献

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