將光伏組件和平單軸跟蹤光伏支架相結(jié)合，通過相應(yīng)操作可實(shí)現(xiàn)光伏組件的追日跟蹤。在利用 GPS提供的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結(jié)合的光伏跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，在正跟蹤模式的基礎(chǔ)上引入了逆跟蹤模式，還包括固定模式及手動模式，其會根據(jù)不同的狀況采用不同的工作模式，并能根據(jù)不同地理位置、日期、天氣來調(diào)整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態(tài)；其在正跟蹤階段時的跟蹤角度誤差在 ±1°以內(nèi)，在早晨、傍晚及極端天氣時能夠避免陰影遮擋光伏組件，有助于提高光伏電站的整體經(jīng)濟(jì)效益。

0 引言
        天氣狀況、晝夜交替、季節(jié)更迭、地理位置差異等自然環(huán)境因素會對光伏發(fā)電產(chǎn)生較大影響，因此提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率和工作穩(wěn)定性顯得至關(guān)重要。通過改變光伏組件的傾角可使光伏組件盡量正對著太陽直射光，這是提高光伏組件發(fā)電量的有效方式之一 [1]，而將光伏組件和平單軸跟蹤光伏支架相結(jié)合，根據(jù) GPS 提供的數(shù)據(jù)，利用天文算法來確定太陽位置，通過電動推桿動作來控制光伏支架上光伏組件的傾角，可實(shí)現(xiàn)光伏組件的追日跟蹤。但此種跟蹤方式較為單一，并且采用的是開環(huán)控制方式，具有精度較低、存在累積誤差的缺點(diǎn)。本文對上述方法進(jìn)行了改進(jìn)，在利用 GPS 提供的數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結(jié)合的光伏跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用閉環(huán)控制方式，并且針對光伏組件傾角過大會產(chǎn)生陰影遮擋的問題，在正跟蹤模式的基礎(chǔ)上引入了逆跟蹤模式。該系統(tǒng)主要有 4 種工作模式，其會根據(jù)不同的狀況采用不同的工作模式，且能根據(jù)不同地理位置、日期、天氣等情況調(diào)整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態(tài)。
1 光伏跟蹤系統(tǒng)工作模式的設(shè)計
       本文所述光伏跟蹤系統(tǒng)中的 GPS 模塊用于提供經(jīng)度、緯度、日期、時間等數(shù)據(jù) [2]。該系統(tǒng)通過天文算法計算出太陽的實(shí)時位置后，據(jù)此來調(diào)整其理論跟蹤角度，由此來改變安裝于平單軸跟蹤光伏支架上的光伏組件傾角，并且利用傾角傳感器實(shí)時反饋系統(tǒng)的實(shí)際跟蹤角度。當(dāng)實(shí)際跟蹤角度與理論跟蹤角度一致時，即實(shí)現(xiàn)了光伏組件的追日跟蹤。此種閉環(huán)控制方式能通過傾角傳感器反饋量來消除累計誤差，使光伏跟蹤系統(tǒng)在長時間運(yùn)行時仍能具有較高的精度。本文所述光伏跟蹤系統(tǒng)的控制原理圖如圖 1 所示。

該光伏跟蹤系統(tǒng)主要有正跟蹤模式、逆跟蹤模式、固定傾角模式和手動模式 4 種工作模式，會根據(jù)不同的情況選擇不同的工作模式。

1.1 正跟蹤模式

       在正跟蹤模式下，照射到光伏組件平面上某點(diǎn)的太陽直射光線應(yīng)盡量與光伏組件平面垂直。而確定平單軸跟蹤光伏支架上的光伏組件傾角時，需要考慮到太陽相對于光伏組件的位置，該位置可以在地平坐標(biāo)系中通過天文算法計算得到 [3]，計算時涉及到的參數(shù)包括赤緯角 δ、時角 ω、太陽高度角 α 和方位角 λ。

赤緯角 δ 用于表示太陽和地球中心的連線與地球赤道所在平面之間的夾角，中國氣象科學(xué)研究院的研究員王炳忠曾提出一種高精度計算 δ 的方法，稱作“ Wang 算法” [4]。該算法的表達(dá)式為：δ=0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ –0.1712sin3θ –0.1712sin3θ-0.785cosθ+0.3656cos2θ+0.201cos3θ(1)式中， θ 為日角。θ 可表示為：

式中， N 為積日，即從每年的 1 月 1 日到計算日當(dāng)天的天數(shù)； N0 為積日的修正常數(shù)， 其考慮了積日類差和閏年的影響，近似取值為 79.67。

時角 ω 是指測量地所在的子午圈與太陽直射點(diǎn)所在的經(jīng)線之間的夾角，其隨時間變化而變化。ω 的計算式可表示為：

式中， ts 為測量地的真太陽時。

ts 可表示為：

式中， t0 為北京時間； J 為測量地的經(jīng)度，西經(jīng)時取“ +” ，東經(jīng)時取“ –” ； E 為時差。

其中， E 可表示為：

E=0.0028–1.9857sinθ+9.059sin2θ –7.0924cosθ – 0.6882cos2θ(5)

太陽高度角 α 是指太陽直射光線與其在水平面上投影的夾角。 α 的計算式可表示為：

sinα=cosfcosωcosδ+sinfsinδ（6）
式中， f 為測量地的緯度。
方位角 λ 是指太陽直射光線在水平面上的投影偏離正南方向的角度。 λ 的計算式可表示為：

當(dāng)光伏跟蹤系統(tǒng)采用正跟蹤模式時，太陽直射光線 L 在光伏組件受光面上的投影應(yīng)盡量與光伏支架主梁所在軸線重合，即 L 在 ZOY 平面上的投影 L0 應(yīng)盡量垂直于光伏組件，此時太陽直射光線的入射角最大，具體如圖 2 所示。圖中， α0為 L0 與 Y 軸的夾角。

圖 2 太陽直射光線在光伏組件受光面上的投影示意圖

α0 的計算式可表示為：

       在正跟蹤模式下， α0 與光伏組件傾角 α1 互為余角，二者的關(guān)系示意圖如 3 所示。圖中， α2為理論跟蹤角度，其由光伏跟蹤系統(tǒng)中的控制單元根據(jù)相應(yīng)計算得到。

1.2 逆跟蹤模式

       由于在日出和日落時 α 的值較低，若此時光伏組件受光面仍正對著太陽直射光線，則會對其后排的光伏組件產(chǎn)生陰影遮擋 [5]；而陰影遮擋會使光伏組件的發(fā)電量顯著下降，因此需要引入逆跟蹤模式，以規(guī)避陰影遮擋的情況。根據(jù) GB50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，無論是固定式光伏支架還是跟蹤式光伏支架，均要求所在地冬至日當(dāng)天 09:00～ 15:00 時段內(nèi)相鄰光伏支架之間互不遮擋。由于在 09:00～ 15:00 時太陽輻照度最強(qiáng)，此時最好保證跟蹤式光伏支架的工作模式處于正跟蹤狀態(tài) [6]。由此，可計算得到相鄰光伏支架東西向最小間距 D，其計算式為：

D=dsinλ+Bsinα0 (12)
式中， B 為單個光伏組件的寬度； d 為太陽直射光線在相鄰光伏支架間的地面投影長度。

其中， d 可表示為：

       光伏跟蹤系統(tǒng)采用逆跟蹤模式后， α0 與 α1不再互為余角，正跟蹤模式下的算法不再適用于此時的平單軸跟蹤光伏支架，需要單獨(dú)計算此種模式下的光伏組件傾角 α1′，其示意圖如圖 4 所示。
1.3 固定傾角模式
       為了保證平單軸跟蹤光伏支架在戶外長期運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，并方便工作人員對光伏支架進(jìn)行安裝、調(diào)試和維護(hù)，光伏跟蹤系統(tǒng)會在以下幾種狀況時采用固定傾角模式。

      1) 陰雨天氣時。由于晴天時太陽輻照度對光伏組件發(fā)電量的影響較大，因此可以根據(jù)所在地太陽輻照度情況來適時調(diào)整平單軸跟蹤光伏支架的工作狀態(tài)。但陰雨天氣時，由于太陽輻照度隨時間變化的趨勢不明顯且此時的太陽散射光對光伏組件發(fā)電量的影響較大，因此若此時光伏支架仍保持晴天時跟蹤太陽直射光的狀態(tài)，隨著太陽方位而轉(zhuǎn)動，會額外增加其電機(jī)的電量消耗。綜上分析，在連續(xù)陰雨天氣時，光伏跟蹤系統(tǒng)會通過遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將此時的理論跟蹤角度固定在185°并停止追日跟蹤。

      2) 光伏組件清洗時。灰塵覆蓋會對光伏組件性能產(chǎn)生較大影響，當(dāng)光伏組件上覆蓋的灰塵量達(dá)到 12.64 g/m2 時，其相對發(fā)電量將會下降20% 左右 [7]。由于光伏電站中光伏組件的尺寸較大，因此為了方便光伏組件清洗，此時光伏跟蹤系統(tǒng)采用固定傾角模式，將理論跟蹤角度固定在135°。雖然在組件清洗前需要檢測是否存在風(fēng)速異常的情況，但在組件清洗時光伏跟蹤系統(tǒng)不需要啟用計時恢復(fù)功能。
      3) 光伏支架處于防風(fēng)狀態(tài)時。由于光伏組件采用薄板結(jié)構(gòu)，光伏支架采用輕鋼結(jié)構(gòu)，因此在大風(fēng)天氣時， 二者均容易被破壞。風(fēng)向不同對光伏組件產(chǎn)生的影響也會不同，光伏跟蹤系統(tǒng)利用風(fēng)速風(fēng)向傳感器實(shí)時檢測風(fēng)速、風(fēng)向。當(dāng)風(fēng)速大于光伏跟蹤系統(tǒng)工作風(fēng)速閾值時，光伏跟蹤系統(tǒng)將采用固定傾角模式，會將光伏組件以迎風(fēng)傾斜5°放置 [8]，即此時的理論跟蹤角度設(shè)定為 175°或185°。當(dāng)光伏支架進(jìn)入防風(fēng)狀態(tài)后，控制程序會延時一段時間，此時的光伏支架繼續(xù)保持靜止；當(dāng)延時結(jié)束后，光伏跟蹤系統(tǒng)會再次比較風(fēng)速值，判斷是否恢復(fù)跟蹤狀態(tài)。

      4) 光伏支架處于防雪狀態(tài)時。由于大雪時容易出現(xiàn)積雪壓塌光伏組件及支架結(jié)構(gòu)的情況，而且積雪不融化或在光伏組件表面化霜結(jié)冰會嚴(yán)重影響光伏組件的工作狀態(tài)。因此，在大雪或易積雪天氣時光伏跟蹤系統(tǒng)的理論跟蹤角度會保持135°不變，使大雪不易積累在光伏組件表面。大雪天氣時常伴隨大風(fēng)，在光伏支架進(jìn)入防雪狀態(tài)前，應(yīng)先檢測風(fēng)速是否存在異常，若無異常則光伏支架會根據(jù)上位機(jī)指令進(jìn)入防雪狀態(tài)。

      5) 光伏支架處于夜間狀態(tài)時。根據(jù)天文算法可得到所在地不同時刻的 α 值，當(dāng)傍晚 α≤ 0°時，光伏支架進(jìn)入夜間狀態(tài)，光伏跟蹤系統(tǒng)采取固定傾角模式，理論跟蹤角度固定為 185°；而當(dāng)早晨α>0°時，則進(jìn)入跟蹤模式。

1.4 手動模式
      為方便工作人員對光伏跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場安裝調(diào)試，增加了手動模式，即利用按鍵和單片機(jī)指令來實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的正向和反向轉(zhuǎn)動，以方便臨時調(diào)整光伏組件的傾角。

2 硬件電路的設(shè)計

       該光伏跟蹤系統(tǒng)的硬件電路基于 STM32 單片機(jī)進(jìn)行設(shè)計，硬件電路主要由電源單元、通信板、控制單元、電機(jī)、驅(qū)動單元等幾大部分組成 [9]。其中，通信板用于采集 GPS 提供的數(shù)據(jù)及風(fēng)速風(fēng)向儀測得的數(shù)據(jù)等信息，并將數(shù)據(jù)處理后傳送給控制單元，控制單元通過相應(yīng)計算得出理論跟蹤角度，并將該角度與傾角傳感器反饋的實(shí)際跟蹤角度進(jìn)行對比。為完善該光伏跟蹤系統(tǒng)的功能，通信板還包括了可進(jìn)行防雪、組件清洗等操作的按鈕，控制單元還包括啟用手動模式時的按鈕、時鐘芯片等部件。硬件電路的框架圖如圖 5 所示。

       控制單元采用意法半導(dǎo)體集團(tuán)生產(chǎn)的STM32F0x 芯片，負(fù)責(zé)對GPS、傾角傳感器、風(fēng)速風(fēng)向儀等反饋的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、分析及計算。STM32F0x系列產(chǎn)品基于超低功耗的ARM Cortex-M0處理器內(nèi)核，因運(yùn)行高速、低成本、低功耗的特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型控制系統(tǒng)。

       采用單片機(jī)內(nèi)部時鐘時，內(nèi)部時鐘會受到外部晶振的影響，而環(huán)境溫度對外部晶振的影響較大，最終導(dǎo)致內(nèi)部時鐘的時間存在一定的誤差。因此在設(shè)計該光伏跟蹤系統(tǒng)時，額外增加了高精度時鐘芯片 DS3231，該芯片內(nèi)部含有集成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，具有較強(qiáng)的適應(yīng)外部環(huán)境溫度變化的能力。此外，備用電池可為此時鐘芯片提供斷電后的續(xù)航，時鐘中的存儲芯片可以存儲斷電后的時間信息，從而保證了光伏跟蹤系統(tǒng)恢復(fù)工作后時間上的連續(xù)性。

       整個電路系統(tǒng)要求電源單元為其提供大小合適且穩(wěn)定的電力。比如，通過外部的 AC/DC 電源單元將 220 V 交流電轉(zhuǎn)變?yōu)?nbsp;24 V 直流電后，可通過 LM2596 開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片和隔離電源獲得 +5 V 的輸出電壓，通過 SPX1117 型低壓差穩(wěn)壓芯片可獲得 3.3 V 的輸出電壓，然后分別為不同電壓要求的芯片組件供電。此外，該控制單元通過 H 橋電路控制驅(qū)動電機(jī)正向和反向運(yùn)行 [10]，并且利用驅(qū)動芯片監(jiān)測電機(jī)的電流。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測試與分析

       通過上述公式可計算得到一天之中光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式和無逆跟蹤模式時的理論跟蹤角度。計算時的時間取 2019 年 5 月 7 日，地點(diǎn)選為江蘇省張家港市 (120°E， 31°N)，光伏組件寬度為 1.2 m，相鄰光伏支架東西向最小間距取 2.5 m。繪制時刻 - 理論跟蹤角度曲線圖。

       在無逆跟蹤模式下，日出 (05:20)后理論跟蹤角度由夜間狀態(tài)時的 180°轉(zhuǎn)變?yōu)?nbsp;90°左右，這說明跟蹤系統(tǒng)采用了正跟蹤模式，此時光伏組件受光面正對著太陽直射光；然后隨著時間的變化，日落 (18:40) 后，理論跟蹤角度固定為 185°，這說明光伏支架再次進(jìn)入夜間狀態(tài)。在有逆跟蹤模式下，日出 (05:20) 后，跟蹤系統(tǒng)經(jīng)過短暫的調(diào)整階段后在 05:25～ 07:35 時進(jìn)入逆跟蹤模式，之后由于控制單元和限位組件對光伏組件進(jìn)行了限位保護(hù)，理論跟蹤角度達(dá)到 135°時保持靜止，因此出現(xiàn)一段平滑直線；在 08:45～15:00 之間時，理論跟蹤角度值呈線性變化并升至最大值，這表明此時跟蹤系統(tǒng)采用了正跟蹤模式；在 15:00～ 16:20，同樣由于限位保護(hù)的原因，理論跟蹤角度保持在 225°，隨后，跟蹤系統(tǒng)再次經(jīng)過一段時間的逆跟蹤模式后，理論跟蹤角度降至185°，光伏支架進(jìn)入夜間狀態(tài)。

       為驗(yàn)證光伏跟蹤系統(tǒng)的控制單元在帶負(fù)載運(yùn)行時的可靠性，在江蘇省張家港市 (120°E，31°N) 某科技園戶外實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式時控制單元的帶負(fù)載實(shí)地測試，并對光伏跟蹤系統(tǒng)的實(shí)際跟蹤角度進(jìn)行了統(tǒng)計。測試日期為 2019 年 5 月 7 日，光伏組件的寬度為 1.2 m，相鄰光伏支架的東西向最小間距為 2.5m。測試當(dāng)天光伏跟蹤系統(tǒng)的時刻 - 實(shí)際跟蹤角度曲線如圖 7 所示。

       將光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式時的實(shí)際跟蹤角度與理論跟蹤角度進(jìn)行對比，并繪制相對于理論跟蹤角度而言，實(shí)際跟蹤角度的角度誤差柱狀圖，如圖 8 所示。由圖 8 可知，逆跟蹤階段 (05:20～ 07:30 和 16:25～ 18:35) 的實(shí)際跟蹤角度與理論跟蹤角度的跟蹤角度誤差范圍在 ±3°，正跟蹤階段 (07:30～ 16:25) 的跟蹤角度誤差范圍在±1°之內(nèi)，符合《太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)用對日單軸跟蹤系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)概要》中跟蹤精度在 ±10°以內(nèi)的設(shè)計要求。

產(chǎn)生跟蹤角度誤差的原因主要有：電動推桿調(diào)整的過程需要耗費(fèi)時間，此時的理論跟蹤角度也在實(shí)時變化，導(dǎo)致跟蹤角度誤差較大；帶負(fù)載運(yùn)行時或存在風(fēng)荷載時均會對光伏支架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生細(xì)微影響，甚至?xí)�使光伏支架發(fā)生微小抖動；傳感器及測量工具在安裝和測量時人為造成的誤差。

4 結(jié)論
       本文提出了一種將天文算法和傾角傳感器反饋相結(jié)合的光伏跟蹤系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)較高精度的追日跟蹤，克服了太陽光的變化對光伏跟蹤系統(tǒng)的影響；鑒于在實(shí)際環(huán)境中的工作狀態(tài)，該系統(tǒng)還增加了逆跟蹤模式、固定傾角模式、手動模式等工作模式。該系統(tǒng)基于 STM32 單片機(jī)進(jìn)行電路設(shè)計，并進(jìn)行實(shí)現(xiàn)了測試，測試結(jié)果表明，光伏跟蹤系統(tǒng)采用有逆跟蹤模式進(jìn)行追日跟蹤時，在正跟蹤階段的跟蹤角度誤差在 ±1°以內(nèi)，逆跟蹤階段的跟蹤角度誤差在 ±3°以內(nèi)，能有效提高光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn) 

[1] 龍哲華 , 汪金輝 , 彭曉宏 , 等 . 北斗 /GPS 雙模定位系統(tǒng)協(xié)議解析算法研究 [J]. 現(xiàn)代電子技術(shù) , 2016, 39(1): 6 － 8. 

[2] 盧國杰 . 基于 GPS 的太陽跟蹤控制系統(tǒng)研究 [D]. 北京 :華北電力大學(xué) , 2013. 

[3] 朱國棟 , 王成龍 , 馬軍 , 等 . 一種高精度太陽跟蹤控制裝置研究 [J]. 傳感技術(shù)學(xué)報 , 2018, 31(6): 830 － 835. 

[4] 張震 , 陳昕 , 韓學(xué)棟 . 平單軸跟蹤系統(tǒng)的陰影規(guī)避技術(shù)仿真研究 [J]. 電工技術(shù) , 2018(23): 17 － 20. 

[5] 王士濤 . 基于逆跟蹤技術(shù)的太陽能跟蹤系統(tǒng)及應(yīng)用研究 [D]. 哈爾濱 : 哈爾濱工業(yè)大學(xué) , 2016. 

[6] 官燕玲 , 張豪 , 閆旭洲 , 等 . 灰塵覆蓋對光伏組件性能影響的原位實(shí)驗(yàn)研究 [J]. 太陽能學(xué)報 , 2016, 37(8): 1944 － 1950. 

[7] 沈妍 , 王琪 , 康曉慷 , 等 . 太陽能光伏板陣列體型系數(shù)和最優(yōu)展平角模擬 [J]. 特種結(jié)構(gòu) , 2018, 35(6): 27 － 32. 

[8] 陶珩 , 王琪 . 基于 PLC 的雙路跟蹤系統(tǒng)研究 [J]. 變頻器世界 , 2018(4): 125 － 129. 

[9] 李亞輝 , 王琪 , 李榮敏 , 等 . 基于 MSP430 單片機(jī)的太陽能發(fā)電裝置設(shè)計 [J]. 機(jī)電設(shè)備 , 2013, 30(4): 99 － 103.

班寧產(chǎn)品匯總