光伏电站跟踪采光的几种控制方式及工作原理简介

太阳能跟踪控制即通过控制太阳能电池板的转动方向，使太阳能电池板时刻正对太阳，从而吸收更多的太阳能，以提高太阳能光伏电池组件的发电效率。

由于地球的自转，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度时时刻刻都在发生变化，相对于某一个固定地点的太阳能光伏发电系统，如果能够有效地保证太阳能电池板时刻正对太阳，光伏发电系统的效率就会达到最佳状态。

1.太阳能跟踪控制方式

当前，各种类型的太阳能跟踪控制系统，可以分为两类：机械跟踪系统和电控跟踪系统。机械跟踪系统一般为压差式跟踪系统；电控跟踪系统可分为光电传感式跟踪控制系统和视日运动轨迹跟踪系统。下面分别对这些系统进行简单的介绍：

（1）压差式跟踪控制方法

压差式跟踪是指当入射太阳光发生偏斜时密闭容器的两侧，由于受光面积不同会产生一定的压力差，在压力差的作用下跟踪装置会重新对准太阳。根据密闭容器内所装介质的不同，压差式跟踪又可分为重力差式、气压差式和液压差式。

系统的基本工作原理是：跟踪系统没有对准太阳即太阳光线没有垂直照射到系统时，系统内部密闭容器两侧受光面积不同，介质会因光照的不同发生相应的物理变化，产生不同的压力，从而在两侧形成压力差。

在这种压力差的作用下，跟踪控制系统做相应方向的运动，重新调整，直到两侧的压力相同。

此时容器两侧受光相同，系统对准的太阳。根据密闭容器里存储的介质不同，可以将压差式太阳能跟踪系统分为液压差式、气压差式、重力差式等。

这类跟踪系统结构简单，造价较低，不用电子控制部分和外部电源，为纯机械控制系统。但该系统有局限性，一般只能用于单轴跟踪，系统跟踪精度很低。因此，此系统仅在一般用户的低需求时采用。

（2）光电传感式太阳能跟踪控制方法

光电传感器式太阳能跟踪控制系统，采用光敏硅光电管、硅光电池等元件，常见的光电器件有光电池，光敏二极管和光敏三极管。目前国内较常用的光电跟踪系统有电动式、重力式、电磁式。这些光电跟踪控制系统都采用光敏元件作为传感器。

在这类跟踪控制系统中，传感器一般安装在采光板上或固定的位置，通过电机转动来调整采光板的位置，使采光板正对太阳。当太阳向西移动时采光板也跟着偏移，光电传感器应受到阳光照射会输出一定值的电压或电流作为输入信号，经放大电路放大由电机转动调整太阳能采光板的角度，使跟踪系统对准太阳。

光电传感器是跟踪具有灵敏度高、反应快等优点，机械结构设计相对简单。但容易受天气的影响，若出现阴天或云遮挡住太阳的情况，太阳光线经过散射，就会导致跟踪系统无法对准太阳的实际位置，甚至引起执行机构的误动作，使跟踪失败。

（3）视日运动轨迹跟踪控制方法

视日运动轨迹式跟踪控制系统中，根据跟踪系统的轴数可分为单轴和双轴两种。单轴追踪：①倾斜布置东西追踪；

②焦线南北水平布置东西追踪；

③焦线东西水平布置南北追踪。

这三种方式都是单轴转动的，南北向或东西向追踪，工作原理基本相似。

追踪系统的转轴或焦线南北向布置，根据事先计算的太阳纬度角的变化，柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动追踪太阳。采用单轴跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热量最大。

而在上午或下午太阳光线都是斜射的。单轴追踪的优点是结构简单，但由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不十分理想。

双轴跟踪是指在太阳高度和纬度角的变化上都能够跟踪太阳。双轴跟踪又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角减方位角式全跟踪。

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。工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反，用于跟踪太阳的视日运动。

反射镜围绕赤纬轴做俯仰转动是为了适应赤纬度的变化，通常根据季节的变化定期调整。极轴式全跟踪方式并不复杂，但在结构上反射性的重量不通过极轴轴线，极轴支撑装置的设计比较困难。

高度减方位角式太阳能跟踪又称为地平坐标系双轴跟踪。当集热器的方位轴垂直于地平面时，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。光伏系统工作时集热器根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴做俯仰运动改变集热器的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始终与太阳光线平行。

这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且集热器装置的重量保持在垂直轴所在的平面内，支撑结构的设计比较容易。

目前现有的太阳能收集装置大都是固定朝向天空的角度，光伏系统设计人员需要计算出当地一个最佳的角度，以便实现尽可能最大化收集利用太阳能。由于实际中太阳高度角随时间不断变化，因此光伏系统中采用太阳跟踪装置，能够极大地提高太阳能的利用率。

2.太阳能跟踪控制类型

太阳能跟踪控制根据控制类型可以分为几大类，一类为开环控制，另一类为闭环控制，此外还有结合两者的混合控制。

（1）开环控制

开环控制在控制理论中是指一类没有反馈的控制。这类控制是基于时间的控制方式，不需要使用传感器对光照强度进行采集，而是基于当地经度和纬度的信息，根据一天中不同的时间对太阳能电池板进行调整，以达到跟踪太阳的目的。开环跟踪控制是建立在一天中任何时刻的太阳位置是确定的基础上的。

这种计时方式是假设地球绕太阳转动的轨迹为标准的圆形，以方便时间的计算。但实际上由于地球绕太阳转动的轨迹是椭圆形，一年之中的地日距离是在不断变改变的，因此假设地球绕太阳转动的轨迹为标准原型进行计算，是存在一定误差的。

（2）闭环控制

闭环控制是相对于开环控制而言，带有反馈的控制方式，这类控制是基于光敏传感器进行控制的。控制系统通过传感器检测得到某时刻太阳光的强度，再根据不同的天气条件调整太阳能电池板的方向，已达到所要对准的目标。

一种简单的太阳跟踪闭环控制方法是用光敏元件测试正面的光强，不断地在一个方向上（东西或南北）调整面板的角度，每次往同一方向旋转一个很小的角度，当测得的光强不断地加强时则旋转方向是正确的，当测得的光强突然由增加变为减小时，则反向往回旋转相同的角度，此时面板在该方向上对准太阳。

这种跟踪控制的一大缺陷在于，若在跟踪周期中如果有遮蔽物出现，就有可能导致定位出现错误，从而影响后续的跟踪定位的准确性。为了克服这一问题需要进行双向的跟踪，也就是不但需要在一个方向上进行搜索，还需要对其反方向进行搜索，这就增加了计算的复杂度，并且需要消耗额外的能耗。

（3）混合控制

混合控制就是将开环控制和闭环控制两种控制方法结合起来使用。根据太阳能追踪系统的时钟芯片和光敏传感器对太阳能追踪系统进行混合控制。

太阳能追踪系统包括依次连接的太阳能聚焦平台，步进电机和MCU主控器；太阳能聚焦平台上设有行程限位开关触发杆和行程限位开关；MCU主控器内设有脉冲计数器，光电传感器和时钟芯片。

它的大致工作方式为：MCU主控器判断太阳能追踪系统是否需要恢复初始设定，若是则进入恢复初始设定步骤，若否则进入日常校准工作步骤；初始标定完成后进入日常校准工作步骤；日常校准完成后进入工作模式，工作模式结束后返回日常校准步骤。

混合控制与前两种控制技术相比，混合控制具有控制简单，控制精准，太阳能利用率高，复位高效可靠，系统稳定性高以及使用方法简单易推广等优点。混合控制与前两种方式相比，具有高度自动化和智能化的特点。

但与前两种控制方法相比，由于综合了两种控制技术，其投入成本必然增加，而且前期准备工作时间也相应变长，尤其是附近没有可以参考的采光数据模型时，还需要重新建模。并且越是智能化控制方式，对控制系统的算力要求就越高，其初始成本也必然会大幅度增加。

同时精细化、智能化的控制技术也必然会额外产生更多的能耗，而且一旦控制系统出现故障，对整个光伏发电系统都会产生冲击，甚至是完全停止工作。为了将控制系统故障可能对发电系统产生的影响降到最低，又需要增加控制系统的冗余备份功能，成本随之成倍上升。

综合来看，不管采取哪种控制方式，都离不开控制成本这根弦。所以目前我们国内的光伏电站在不考虑土地使用空间利用率的情况下（不追求单位面积最大发电量），还是采用单一简单控制方式为主。

我们在实际运用中需要因时因地而论，不能笼统机械地照搬照抄以前的经验和方式。尤其是户用光伏电站需要尽可能地降低额外的成本增加，最大限度地减少故障率。因此，不宜采用复杂的采光控制方式，还是以固定式的安装方式为好。