基于天气类型划分的单轴轨道式光伏跟踪策略

李 芬，张德隆，毛 玲，崔 杨

(1.上海电力大学，上海 200090；2.湖北省气象服务中心，湖北武汉 430205)

光伏作为一种可再生能源在全球能源领域地位愈发重要[1]，光伏发电在社会发展与科技进步方面发挥的作用也越来越大。光伏跟踪系统能够有效追踪太阳辐射提高光伏电站的发电效率，传统的单轴跟踪模式根据转轴的方向可分为水平单轴、竖直单轴和斜单轴[2]，文献[3]提出在一年的不同时间段内，通过手动调节光伏组件相对水平面的倾角，可以显著提高接收到太阳年辐射量20%～30%，采用这种方法虽然降低了成本，但也牺牲了跟踪精度；文献[4]提出了一种“斜面+楔形体+转轴”的新型单轴跟踪模式，虽然理论上提升了跟踪精度，但该模型在运行过程中角度变化并不平滑，跟踪过程易出现故障；文献[5]在跟踪系统的控制方法角度上提出一种新的算法，对光伏系统的效率进行提升；文献[6]提出一种新的天气类型划分方法，然后对不同的斜面辐射模型进行筛选，得出最优结果，但均未提出新的跟踪运行方式。

光伏组件接收的太阳辐射主要由直接辐射部分和散射辐射部分构成，其中直接辐射占主要部分。由于光伏跟踪系统主要追踪太阳辐射的直接辐射部分，在以太阳直接辐射为主的天气类型下光伏跟踪系统能以较高效率运行[7]。因此，需要一种简单有效的天气类型划分方法精确区分直接辐射为主的天气，对不同光伏跟踪模式的选择提供指导。

针对上述研究中光伏跟踪系统主要追踪直接辐射分量，以及现有单轴跟踪系统精度较低的问题，提出了一种新的天气类型划分方法，可以更精确地分辨出直接辐射分量占主体的天气；以及一种新的单轴轨道式光伏跟踪系统运行方式，提高跟踪系统的跟踪精度，同时显著提升光伏发电效益。

1 新型天气类型划分方法

1.1 数据来源

本文实例使用的地面辐射及常规气象要素观测资料来源于国家气象信息中心，数据时间为完整一年。其中逐时辐射数据包括水平面总辐射、直接辐射、散射辐射和反射辐射；气象要素数据包括总云量、能见度、降水等资料，所有数据均经过严格的质量控制及检查，质量良好。

1.2 相关性分析

光伏发电效率与光伏组件表面接收到的太阳辐射量直接相关，气象环境因子可以从各个角度描述气象环境条件对太阳辐射产生的复杂影响[8]。为比较气象环境因子对太阳辐射的影响程度，气象环境因子与太阳辐射之间的相关性分析见表1。其中kT为清晰度指数，C为云量，RH为相对湿度，τb为大气透射率，Bd为直射比，In和Id分别表示到达地面的法向辐射和散射辐射。

表1 直接辐射与气象环境因子相关性分析

法向直接辐射与大气透射率呈正相关，且最为显著，相关系数达到0.994。其次是小时清晰度指数和直射比。对于光伏跟踪系统而言，跟踪的对象主要是太阳辐射的直射部分，故如何精确划分出直射比较高的天气类型至关重要。因此，选取大气透射率τb作为评估光伏跟踪系统模型性能表现的天气类型划分指标。

1.3 相关性分析

当大气透射率τb为0 时，作为特例分为一类，其余数据则使用自组织映射神经网络SOM 进行聚类，聚类数目为4，聚类结果如表2 所示并显示了每种天气类型的份额；选取现有的一种精度较好的云量与清晰度指数交叉划分的天气分类方法作为对比。

表2 不同天气类型分类标准

相比于现有交叉分类法，新分类法的天气类型区分度更加明显，不同类型天气之间对于辐射的收益转化层次更清晰。如图1(a)所示如新分类法的Type1 天气类型小时水平总辐射(单位：kWh/m2)明显高于以往交叉分类方法的Type1 天气，新型分类方法有明显的递增过渡，分别从Type5(0.386)～Type4(1.097)～Type3(1.582)～Type2(1.786)～Type1(2.201)递增至最高；而以往分类方法Type5(0.274)～Type4(0.907)～Type3(2.054)～Type2(2.006)～Type1(1.804)先递增后下降，在天气类型Type3达到最高，相比较而言新型分类方法更加合理。另外从图1(b)小时水平直接辐射看，Type1 天气类型下新型分类方法的1.782 明显高于交叉分类方法的1.336，可见新型分类方法对于直接辐射的筛选更加精确，因此更加适用于追踪直接辐射的跟踪式光伏系统的评估与指导。

图1 水平面小时辐射

2 单轴轨道式跟踪模型

2.1 工作原理

新型单轴轨道跟踪系统整体上主要由旋转轴、轨道两部分组成，如图2 所示。轨道作为该跟踪模式的主要构成部分，整体外观大致呈一个“凸”字型，运行过程如图3 所示。上午时间段，太阳东升，光伏组件沿轨道朝向由东向南运动,与正南方向夹角b为其方位角，光伏组件位于轨道较平缓段，此时组件倾角a最大，对应上午时间太阳高度角较低平，保证阳光直接辐射组件；当中午时刻，光伏组件沿轨道运行至中间凸起部分，组件倾斜角度a变小，对应为中午时刻太阳高度角最大点，同时组件方位角b与正南方向重合变为0；下午时间段，太阳西落，高度角降低，a与b再次变大。整个运行过程通过旋转轴旋转保持了对太阳方位角跟踪，斜面倾角随轨道变化实现了对太阳高度角的跟踪，跟踪效果显著提升。

图2 整体结构图

图3 工作示意图

2.2 数学模型

图4 中，θT为光伏组件斜面上的太阳光入射角，β 为斜面倾角。水平面位置、斜面及斜面法向位置均在图中标示出。由图4、图5 可得光伏组件斜面上小时太阳总辐照量ITb与直射辐照量In之间的关系为：

图4 光伏组件斜面太阳辐射模型

图5 模型各角度关系

可以得到斜面与水平面上小时直射辐照量的比：

斜面总辐射由斜面直接辐射、散射辐射及反射辐射组成，计算公式如下：

式中：IT为小时斜面总辐射；Ib为水平面小时直接辐射；Id为水平面小时散射辐射；Ir为斜面反射辐射；Rb为斜面与水平面上直接辐射之比；Rd为斜面与水平面上散射辐射之比。

斜面反射辐射计算方法为：

式中：I为水平面总辐射；ρ 为地表反照率。

目前，斜面散射辐射算法分为各向同性模型和各向异性模型，其中Perez 模型在目前常用经典模型中误差相对较小[9]。Perez 模型将天空散射分解为环日散射辐射、地平散射辐射、其余穹顶均匀分布散射辐射三部分，计算公式如下：

式中：a=max(0,cosqT)；b=max(cos85°,cosqz)；F1为环日太阳系数；F2为水平亮度系数。

在赤道坐标系中太阳高度角、天顶角和维度、赤纬角及时角的关系如下：

地平坐标系中新单轴轨道式光伏组件角度模型如图5 所示，可推导出计算太阳直射到该组件表面的入射角：

另外，光伏组件将太阳辐射转化为交流电能的过程中需要通过光电转换以及逆变两个环节。

光电转换环节[10]主要是太阳辐射经过光伏电池或光伏阵列转化为输出直流功率的物理过程：

式中：Pdc为直流发电功率；ηpv为光电转换效率；S为光伏阵列有效面积；K1为直流回路损失系数。

逆变器转化效率ηinv表示逆变器输出的交流发电功率与光伏阵列输出最大直流发电功率的比值：

3 实例分析

3.1 模型仿真与分析

除了新单轴轨道式跟踪模式外，本文还选取了固定斜面模式(最佳倾角)、垂直轴(方位角跟踪)以及东西轴(高度角跟踪)共四种跟踪模式，使用MATLAB 进行模型仿真，采用新型天气分类方法，在不同天气类型下采用不同的跟踪模式进行多方面对比分析。

3.2 跟踪模式发电量收益分析

图6 展现了不同跟踪模式下全年发电总量情况，相比光伏组件水平面放置的发电收益，本文提出的单轴轨道跟踪模式全年发电总量提升了33.98%，斜面最佳倾角放置提升了14.73%，东西轴跟踪模式提升了17.73%，垂直轴跟踪模式提升了28.89%，可见单轴轨道跟踪模式在全年总发电量方面提升明显。由图7 可以看出，在全年各月发电量方面，轨道式新单轴相较于其它类型单轴有较明显的优势。

图6 不同跟踪模式全年总发电量对比

图7 不同跟踪模式月发电量变化趋势

3.3 不同跟踪模式精度与稳定性分析

3.3.1 稳定性分析

变异系数Vσ、平均距平百分比Xd和稳定度S是太阳辐射或其他变量波动性的标准化量化指标。变异系数和平均距平百分比的值越小，变量的波动性越小，稳定度则恰恰相反。

四种跟踪模式的跟踪稳定性如表3 所示，对比可发现固定斜面最佳倾角方式的稳定性最高，在三种单轴跟踪模型中新单轴的稳定性介于东西轴和垂直轴之间，稳定度较好。

3.3.2 精度分析

分别选取春分日和夏至日作为典型日，分析不同跟踪模式下的入射角度变化。入射角度数越小表明模型追踪太阳直射的精度越高，而曲线变化率越大说明追踪稳定性越差，如图8 所示。

图8 典型日期太阳入射角变化

3.4 不同天气类型下跟踪模式分析

对比图7 与图9 可以发现，单轴轨道式跟踪模型的各月发电量与Type1、Type2 两种天气类型的变化趋势基本一致，这是由于跟踪系统的主要辐射来源于直接辐射，而Type1、Type2 两种天气类型下的不同跟踪模式的发电量占比分别为：固定斜面模式59.89%，垂直轴跟踪模式61.6%，东西轴跟踪模式61.33%以及新单轴跟踪模式63.07%，直接辐射构成了Type1、Type2 天气类型下的主要发电来源，由此可见在这两种天气类型下采用新单轴跟踪模式可获得更高的发电收益。

图9 Type1、Type2天气类型分布

在表4 中可以看到不同天气类型下不同跟踪模式的单位时间发电量Ra，相应的发电量占比Pa，以及平均值X。对所有四种跟踪模式而言，在Type1、Type2、Type3 天气类型下的单位时间发电量均高于该跟踪模式的平均值，也就是说跟踪模式应尽量运行于这三种类型的天气条件下，这样能以更高的效率获得电能；而在Type1、Type2、Type3 天气类型中，新单轴跟踪模式均有最高的单位时间发电量，其次为垂直轴和东西轴；而在Type4 天气类型下，垂直轴跟踪模式具有更高的效率，Type5 天气类型总发电量占比过小可忽略不计。

表4 不同天气类型下不同的跟踪模式的单位时间发电量 kWh

4 结论

本文提出了一种基于大气透射率的新型天气类型划分方法，以及一种新型单轴轨道式光伏跟踪模式，通过国家气象信息中心的实际光伏观测数据进行仿真验证，并对比了现有的光伏跟踪模式，得出以下结论：

(1)从气象因子相关性、小时辐照度，以及与现有天气分类方法进行对比，该分类方法具有良好的区分度以及对直接辐射分量的有效筛选，可用于跟踪式光伏系统的选择与指导。

(2)本文提出的轨道式单轴控制方式通过单轴旋转与轨道的组合，同时满足了对太阳高度角、太阳方位角的追踪，仿真证明精度、稳定性以及发电收益相对于现有单轴系统均有提高。

(3)在合适的天气类型分类条件下，根据不同的天气类型采用不同的跟踪模式，可以显著提高光伏跟踪系统的发电量及效率，对实际安装光伏跟踪系统起到了一定的参考指导作用。