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由光电系统的最大功率点跟踪单元控制的新型高精度无传感器双轴太阳能跟踪系统
要闻
新颖的高精度无传感器双轴太阳跟踪器。
它具有传感器和无传感器的太阳能追踪器的优点。
它没有基于传感器和无传感器的太阳能追踪器的缺点。
跟踪误差仅为0.11，比其他错误的跟踪误差要小。
根据能源效率的不同季节，增加了28.8%-43.6%。
摘要
在这项研究中，提出了一种新型的高精度无传感器双轴太阳能跟踪装置，它含有最大功率点跟踪单元控制，在几乎所有光伏系统中都有。最大功率点跟踪控制器不断计算光伏模块/面板/阵列的最大输出功率，并利用高度和方位角偏差来跟踪太阳方向，提取最大输出功率的最大值。与其他无传感器的太阳能追踪器不同的是，本太阳能跟踪系统是一个闭环系统，这意味着它在任何时候都使用太阳的实际方向来跟踪太阳，这就是这项工作的贡献。这款太阳能追踪器具有传感器和无传感器双轴太阳能追踪器的优点，但它没有缺点。其他无传感器的太阳追踪器都是开环的。他们使用从太阳地图方程获得的关于太阳路径的离线估计数据，所以精确低，多云的天空需要新的数据来寻找新的位置是他们的问题。已建立了一个光伏系统，并通过实验验证得到太阳能跟踪系统跟踪太阳的跟踪误差0.11，这比其他传感器和无传感器的太阳追踪器的跟踪误差要小。根据不同季节，能源效率能增加28.8%-43.6%是本太阳能跟踪系统的主要优势。
关键词：太阳能跟踪系统；最大功率点跟踪；能量效率；太阳能
1. 绪论
最大功率点跟踪( MPPT )单元是几乎所有光伏( PV )系统的重要部分。它将系统中使用的PV模块的工作点调整到PV模块的最大功率点( MPP )。因此，MPPT控制器通过从PV模块提取尽可能多的瞬时功率，显著提高了PV系统的能量转换效率。文献报道了不同的MPPT方法。一些方法是离线或基于模型的，例如短路电流( SCC )和开路电压( OCV )，PV模块定期断开，并且测量特定的物理参数，例如短路电流或开路电压。其他MPPT技术，如极值搜索控制( ESC )、扰动观测( P amp; O )和增量电导( IC )等，在实际运行条件下使用光伏模块的输出电压或电流，因此是在线或无模型的方法。OCV技术利用光伏模块的开路电压来估计MPP电压。温度技术是OCV方法的现在模式，它利用光伏模块在工作条件下的温度来估计光伏模块的开路电压。SCC法通过测量短路电流来估算MPP电流。模糊方法首先将光伏组件电流和电压转换成模糊参数。它们根据为系统定义的模糊角色提供一些模糊输出，然后去模糊单元将模糊输出转换为实际输出。模糊技术的改进形式是自适应模糊技术，其利用具有自适应增益的模糊单元。基于人工神经网络( ANN )的技术使用不同的训练神经网络来跟踪MPP。P amp; O技术首先启动PV模块电压或电流，然后将PV模块的输出功率与先前的值进行比较，以确定下一步如何产生扰动。用三点确定运动方向的P amp; O方法的改进形式称为三点加权技术。另一种采用动态启动的P amp; O方法的改进。粒子群优化自适应神经模糊推理系统( PSO - affs )和P amp; O - affs是报道中的两种混合在线MPPT技术。在集成电路方法中，P - V特性斜率用于跟踪MPP。报告中提出了具有最大输出功率零振荡的IC技术的改进版本。ESC技术采用非线性闭环机制找到MPP，其动态特性已很好地适应PV模块工作点。基于纹波的ESC是ESC技术的改进版本，可用于并网光伏系统，它利用直流链路电压纹波来寻找MPP。其他一些MPPT技术如功率管理最大功率点跟踪( PM - MPPT )、布谷鸟搜索( CS )和改进的遗传算法( GA )也在文中有所报道。本研究使用的MPPT控制器是基于高精度MPPT技术实现的，该技术同时使用PV电流和电压偏差来精确跟踪MPP。
太阳能是一种重要的可再生能源，在许多国家日益普及。太阳能转换系统的主要缺陷是效率低，提高这类可再生能源系统的能效一直是许多研究项目的主题。光伏系统使用光伏模块/面板/阵列将太阳能转换成电能。为了从PV模块中提取最大输出功率，可以使用太阳能跟踪器来跟踪太阳方向，使得阳光垂直地照射到PV模块表面。事实上，以前的研究表明，在光伏系统中增加一个太阳能跟踪器，可以根据地理位置多获取大约20 % - 50 %的太阳能。太阳能跟踪器分为单轴和双轴两种。单轴太阳跟踪器的唯一轴是沿着当地的北子午线排列的，它只有一个自由度，所以它只能在一个方向上跟踪太阳，这就是太阳的日常路径。双轴式具有两个自由度，可以在太阳的日运动和季节运动两个方向跟踪太阳轨迹。与固定光伏模块相比，单轴太阳能跟踪系统可将光伏模块的日输出功率提高约20 %。显然，双轴太阳跟踪系统比单轴类型更精确地跟踪太阳方向。通过使用双轴太阳跟踪器，与固定PV模块相比，PV模块的输出功率可以增加高达约33 %。双轴跟踪器分为两类:基于传感器的和无传感器的太阳能跟踪器。基于传感器的太阳跟踪器充当闭环系统，其中使用光电传感器来提供适当的反馈信号，以便使用反馈控制系统跟踪太阳方向。配备有辐射限制管的传感器由双轴机械系统承载和定向以找到的太阳方向如图1所示，然后，由传感器获得的太阳位置的正确角度被太阳跟踪器用来将PV模块面向太阳定向。实际上，需要两个独立的双轴机械系统；一个用于承载传感器，另一个用于PV模块。显然，两个机械系统的参考点应该相同，这增加了太阳跟踪器的复杂性。因此，基于传感器的双轴太阳跟踪器的优缺点可以总结如下。它们精度高，跟踪误差在0.15左右，但需要一个额外的双轴机械系统以及多个传感器和辐亮度限制管，大大增加了成本和复杂性。无传感器双轴太阳跟踪器充当开环系统。它使用从不同太阳路径图或太阳地图方程获得的关于天空中太阳路径的离线估计地理数据。同样，无传感器双轴太阳跟踪器的优缺点可以总结如下。它们比较便宜，但是它们的跟踪误差平均在0.4左右，所以与基于传感器的类型相比，它们的精度较低，因为使用了一组离线估计数据，而不是指示当前太阳在天空中的实际位置的在线数据。改变PV模块位置的地理纬度和/或经度也需要新的数据集。此外，它们在多云的天空中遵循太阳的常规路径，因为如上所述，它们作为开环系统运行，所以没有任何反馈信号通知实际的环境条件。
本研究提出一种由内MPPT单元控制的新型高精度无传感器双轴太阳跟踪系统。MPPT控制器随时连续计算PV模块的最大输出功率，然后利用高度和方位角的偏差找到太阳的正确方向，在那里获得最大输出功率的最大值。事实上，光伏组件本身起到传感器的作用，所以所提出的无传感器双轴太阳跟踪器作为一个闭环系统运行，该闭环系统使用指示太阳当前在天空中的实际位置的在线数据。因此，它具有基于传感器和无传感器双轴太阳跟踪器的优点，但没有它们的缺点。换句话说，一方面，它是一个非常高精度的太阳跟踪器，所以它的跟踪误差大约为0.11，甚至小于基于传感器的跟踪器，因为它只使用一个双轴机械系统，而不是基于传感器的跟踪器中使用的两个独立的机械系统。另一方面，类似于无传感器跟踪器，其成本和复杂性低于基于传感器的类型，因为它不需要任何传感器和用于定向传感器的额外双轴机械系统。将所提出的无传感器双轴太阳跟踪器的特性与基于传感器和无传感器双轴太阳跟踪器进行比较如表1。
图1.配备了辐射限管并安装在独立的双轴机械系统上的基于传感器的双轴太阳能跟踪器
表1.将双轴太阳跟踪器、基于传感器的跟踪器和无传感器跟踪器进行比较
|
双轴太阳能跟踪器类型 |
成本 |
精度 |
跟踪误差 |
传感器追踪 |
使用的双轴机械系统数目 |
|---|---|---|---|---|---|
|
基于传感器 |
高 |
高 |
0.15° |
是 |
2 |
|
无传感器 |
低 |
中 |
0.4° |
否 |
1 |
|
推荐的太阳跟踪 |
低 |
高 |
0.11° |
否 |
1 |
对比表明，本研究引入了一种既具有传感器跟踪又具有无传感器跟踪优点的新型太阳能跟踪装置，这是本研究的贡献。已经构建了一个光伏系统来实现所提出的太阳能跟踪器。实际实验结果表明，该无传感器双轴太阳跟踪器不仅验证了理论结果，而且验证了该无传感器双轴太阳跟踪器是一种非常高精度的跟踪器，兼具传感器跟踪和无传感器跟踪的优点。本文的其余部分安排如下。第2节介绍了对拟议太阳跟踪系统的分析。第3节涉及拟议的太阳跟踪系统的实施。第4节和第5节给出了实验结果。
2.拟议的太阳能跟踪系统分析
图2给出了所提出的太阳能跟踪系统的示意图。太阳跟踪器部分由调节PV模块/面板的高度角的步进电机1、调节方位角的步进电机2、使PV模块/面板在垂直平面中围绕高度轴旋转的高度齿轮箱以及类似地使PV模块/面板在水平平面中围绕方位轴旋转的方位齿轮箱组成。为了明确这一点，在图3中示出了水平面、垂直面、高度轴、方位角轴、以alpha;表示的高度角和以beta;表示的方位角。图2所示的PV模块的输出功率可以表示为: Ppv=VpvIpv (1)
其中Ppv、Vpv和Ipv分别是光伏模块的输出功率、电压和电流。光伏模块的P - V特性如图4所示。可以看出，MPP应满足的条件如下:
dPpv/dVpv=0
dPpv/dIpv=0 （2）
图2.拟议的太阳跟踪系统示意图
事实上，图2所示的MPPT控制器调整PV模块电压和电流，使得PV模块的操作点理想地放置在MPP处。因此，通过使用MPPT控制器，PV模块的输出功率及其工作点可以表示为:
Ppv=VmppImpp=Pmpp
Vpv=Vmpp
Ipv=Impp （3）
图3.坐标轴：高度轴、方位角、高度角和方位角
图4.P-V典型的PV模块的特征
其中Pmpp、Vmpp和Impp分别是MPP处的PV模块输出功率、电压和电流。在本研究的其余部分中，MPPT控制器还可以通过在MPPT控制器中添加新的特征来产生适当的控制信号以跟踪太阳方向，这将在下文中详细说明。图5示出了恒温( T = 25℃)下典型PV模块的I - V和p - V特性以及照射到PV模块上的不同太阳辐照度。图5中描绘的P - V曲线清楚验证了这一点，即照射在PV模块上的太阳辐照度的增加/减少导致PV模块的最大输出功率( Pmpp )的增加/减少，因此最大输出功率的值可以用作跟踪太阳方向的参数。当太阳光线垂直照射到光伏组件表面时，照射到光伏组件上的太阳辐照度最大，因此MPPT控制器可以观察到最大输出功率的最大值。事实上，当光伏组件表面的垂直轴接近太阳方向时，光伏组件的最大输出功率增加，当光伏组件到达垂直轴与太阳方向平行的位置时，光伏组件的最大输出功率最终达到最大值。在这种情况下，PV模块表面正好垂直于太阳光线，这是正确的跟踪位置，因此太阳方向已经被太阳跟踪器完全跟踪。可以总结出，最大输出功率的值依赖于PV模块/面板的高度角(alpha;)和方位角(beta;)，当高度角达到正确的跟踪高度角alpha;T时，最大输出功率得到最大值，同样，方位角等于正确的跟踪方位角beta;T。因此，PV模块的最大输出功率可以用有界连续函数在数学上表示为: Pmpp=f(alpha;,beta;) (4)
图5.一个典型的PV模块的I-V和P -V的特征一个恒定的温度（T=25 c）和不同的太阳辐射对PV模块的影响
目标是找到正确的跟踪角alpha;T和beta;T。当PV模块/面板的高度和方位角达到正确的跟踪角alpha;T和beta;T，即PV模块/面板位于正确的跟踪位置时，数学上出现以下条件:
part;f(alpha;T,beta;T)/part;alpha;=0
part;f(alpha;T,beta;T)/part;beta;=0 （5）
使用Eq（4），最大输出功率的偏差是：
Delta;Pmpp=part;f(alpha;,beta;)/part;alpha;Delta;alpha; part;f(alpha;,beta;)/part;beta;Delta;beta; (6)
Delta;alpha; 和 Delta;beta;分别是高度和方位角的偏差。在正确的跟踪位置，用Eq（5）代替Eq（6）来获得最大输出功率的偏差。则
Delta;Pmpp=part;f(alpha;T,beta;T)/part;alpha;Delta;alpha; part;f(alpha;T,beta;T)/part;beta;Delta;beta;=0 (7)
使用Eq（6），最大输出功率的两个斜率被定义为：
M1=Delta;Pmpp/Delta;alpha;=part;f(alpha;,beta;)/part;alpha; part;f(alpha;,beta;)/part;beta;Delta;beta;/Delta;alpha;;whereDelta;alpha;ne;0
M2=Delta;Pmpp/Delta;beta;=part;f(alpha;,beta;)/part;alpha;Delta;alpha;/Delta;beta; part;f(alpha;,beta;)/part;beta;;whereDelta;beta;ne;0 (8)
其中M1和M2分别是海拔和方位角的最大输出功率。
用Eq（7）代替在Eq（8）中验证当PV模块/面板达到正确的跟踪位置时，最大输出功率的M1和M2都变为零。最大输出功率、高度角和方位角的偏差是由MPPT控制器计算的：<!--
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