照射方向自动跟踪

太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，改变入射角，发电量明显下降。照射方向自动跟踪技术是提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。

照射方向自动跟踪技术，顾名思义就是使光伏阵列随着太阳而转动。其目的就是保持太阳能光伏板随时正对太阳，让太阳光的光线随时垂直照射到太阳能光伏板上，以提高太阳能光伏组件的发电效率。由于地球的自转和公转，太阳的入射角度时时刻刻都在变化，对于某一个固定地点的太阳能发电系统，只有有效的保证太阳能光伏板时刻正对太阳，发电效率才会达到最佳状态。因而保持太阳能光伏板与太阳光垂直，使其最大化地接收太阳辐射能显得十分重要。照射方向追踪技术从上世纪80年起，从最简单的单轴追踪发展到当前多种类型，目前跟踪技术中最典型的三种分别是视日运动轨迹追踪、光电跟踪技术以及两者结合的技术。

单轴追踪单轴跟踪装置一般采用三种方式：

(1)倾斜布置东西跟踪；

(2)焦线南北水平布置，东西跟踪；

(3)焦线东西水平布置，南北跟踪。

这三种方式都是南北方向或东西方向的单轴跟踪，工作原理基本相似。

单轴跟踪装置的转轴东西方向布置。控制器计算太阳角度的变化，控制转轴转动，使太阳能电池板作俯仰运动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与电池板相垂直，而在早上或下午太阳光线都是斜射。采用单轴跟踪的特点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集光线的效果并不理想。

如果能够同时跟踪太阳两个角度的变化，就能获得更多的太阳能量，双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。双轴跟踪通常可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角-方位角式全跟踪。

双轴追踪(1)极轴式全跟踪

极轴式全跟踪是指聚光镜的一轴指向地球北极，即与地球自转轴相平行，故称为极轴。另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。反射面绕极轴用与地球自转角速度相同方向相反的固定转速进行跟踪，反射镜按照季节时间的变化围绕赤纬轴作俯仰运动以适应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，但从力学角度分析，在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。

(2)高度角-方位角全跟踪

高度角一方位角全跟踪建立在地平坐标系基础上，两轴分别为方位轴和俯仰轴，方位轴垂直于地面，俯仰轴垂直于方位轴。根据太阳角度的计算方法，工作时反射镜根据太阳位置的理论计算值，绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变反射镜的倾斜角，使反射镜的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪装置的跟踪准确度高，而且反射镜的重量保持在垂直轴所在的平面内，支持机构容易设计。但是在计算太阳角的过程中容易出现误差，影响跟踪准确度。

光电跟踪是国内外常用的跟踪方法，使用光敏管，将两个光敏管分别置于光伏电池阵列平面的两个点上，当太阳光线直射光伏阵列时，若光敏管将光信号转换成电信号后的数值偏差在规定范围内，即两个测试点光强信号偏差很小，电机不转动。但随着太阳的位置发生变化，光敏管检测到的电信号偏差逐渐增大而超出了规定范围，经放大电路将偏差信号放大，控制跟踪装置产生动作而重新使光伏阵列与太阳光线保持垂直，对准太阳，完成跟踪。光电跟踪的优点是结构设计方便，跟踪准确度高。但有一个缺点就是受天气的影响较大，如果在稍长一段时间内出现乌云遮住太阳的情况，由于没有光照，光敏管上没有电信号产生，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误操作。

光电追踪

除了采用光敏管之外，对于一个由许多块光伏组件组成的光伏阵列，还可以直接利用阵列上两块输出特性相同的光伏组件来代替光敏管，它们既可以用作光电转换的电池，又可以用于光信号的检测。太阳光垂直照射光伏阵列平面时，两块电池组件上得到太阳光的能流密度完全相同，因而产生的电流输出也相同，此时控制方位的电机不转动。当太阳位置发生变化时，如果两块光伏电池组件的输出电流超出规定范围，则利用偏差信号驱动电机转动，使阵列重新对准太阳，完成跟踪。其优点是电路结构更加简单，省去了光敏管，且跟踪准确度比较高，但仍然存在由天气原因导致的无法跟踪问题。

视日运动跟踪和光电跟踪都存在一定的局限性。对于视日运动跟踪，主要是在开始运行之前需要精确定位，太阳角度计算时容易产生误差，且产生误差后不能自动进行调整等，因此需要定期人为调整跟踪装置。而光电跟踪经常由于天气问题，出现不跟踪或错误跟踪的情况，特别在多云的天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运动，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。

将视日运动跟踪和光电跟踪相结合，互补其短，得到比较满意的效果。在光电跟踪的基础上，同时设置视日运动轨迹跟踪程序，当遇到乌云遮挡或阴天等天气状况时，由于光强太小，光敏管上产生的电信号会低于设定的阈值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪程序进行执行，天气好转后自动跳出，继续进行光电跟踪。为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。两种跟踪方式相结合的方法，同时将光电跟踪方式作为主要跟踪方式，视日运动轨迹跟踪方式作为补充，一方面发挥了光电跟踪的优势，使跟踪更加准确：另一方面在阴天等特殊天气环境下继续跟踪太阳。

当前的跟踪技术以及控制系统，仍存在着不足及需要改进之处：

（1）控制算法的改进

当前采用改进型间歇跟踪控制方法，是一种开环的控制策略，并没有设计复杂的、智能的控制算法。在以后的学习工作中，应该更加深入地研究，应用更加灵活稳定的控制算法，使软件系统更加优化，程序更加简洁。

（2）监控系统的实现

跟踪器运行状况数据采集后台数据库和及监控系统发展的一个关键技术方向就是网络技术，通过网络来实现远程监控功能、点对点数据传输、网络视频监控、远程存储数据等。

（3）群控系统在工程项目的实现

目前，对于多种类型跟踪器群控效果仅实现于试验模拟平台，工程项目中使用如盘式双轴跟踪系统等单种类型跟踪器的控制，所以群控系统的可靠性还有待在今后的工程应用实践中继续改进和完善。

当今国际组件价格下降趋势明显，为了更好地提高光伏发电系统的发电效率，在考虑系统实现的过程中，必需考虑成本问题。跟踪系统倾向于简化机械结构，优化控制方式来缩减跟踪系统成本。