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对改进单轴跟踪器可靠性、耐久性、使用性能和降低成本的最终分包技术状态报告
2006年5月2日---2007年8月31日
J.辛格尔顿 辛格尔顿设计于纽约奥本
摘要
该光伏制造研发项目外包，设计公司通过跟踪技术的改进,一个新的模块化倾斜跟踪器研制取得重大进展。与SunPower公司合作，欣格尔顿设计建立在现有的MaxTracker技术平台（T0）开发新一代的跟踪技术与增加能量捕获，提高可靠性和扩展部署的能力。项目团队致力于开发新的结构设计，强调基于工厂的装配、模块化设计和快速部署。对控制器和驱动组件进一步提高跟踪性能的改善。额外的设计和成本分析工具的开发使产品的商业化成为可能。这第一代T20平台5-10%的增加能源产量在5 - 6%降低成本进行评估时，性能为基础提供了可能，相对于T0技术。T20技术开发本合同代表了光伏系统技术面向公用事业规模的商业设施的重要发展。
执行摘要
2006年，设计公司开始在夏力顿光伏制造研发合同编号为33628-09 NREL的下一代跟踪技术。与SunPower公司合作，欣格尔顿设计开发了单轴、倾斜的跟踪器，使用模块化平台。这种设计代表了光伏跟踪系统发展的下一个步骤，在系统成本的竞争平衡下提供更高的能源生产。工作重点是减少单轴跟踪太阳能系统用于公用事业和其他大型商业应用所产生的总成本。开发一个工厂组装的模块化跟踪器，在现有技术优势的基础上，提高了性能和可靠性，减少了安装时间、成本和环境影响。下一代结构设计是基于模块化单元，旋转轴从水平方向倾斜20度。通过合并倾斜的轴，系统经历更高的直接太阳辐射，从而产生更多的输出时相比，水平系统。此外，新的设计特性使系统对可变地形更为宽容。这些改进导致了更高的市场渗透潜力，因为可能增加5-10%的能源产量和减少场地准备要求。通过SunPower公司的系统，新的T20跟踪器是通过小的原型设备然后在商业规模的安装部署。基于此安装初步评估，年度美元/千瓦时的成本为T20预计为5 -比T0低6%。鉴于在这第一代技术中降低成本的未来潜力，这些结果表明在实现网格平价的目标方面取得了明显进展，同时也使国内光伏基础设施得以扩大。
1引言
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- 目的
该分包合同的总体目标是通过提高性能和可靠性以及减少安装时间、成本和环境影响，减少单轴跟踪太阳能系统对公用事业和其他大型商业应用所产生的总成本。
1.2背景
1999年，辛格尔顿设计、LLC开发，介绍了MaxTracker光伏跟踪系统（T0）–单轴跟踪器具有低成本、高可靠性的潜力。与早期的跟踪技术相比，该平台代表了跟踪技术的重大进展。虽然单轴跟踪器进入光伏市场在20世纪80年代初，这些技术享有相对较少的市场渗透，由于成本和可靠性问题。
在T0平台使用一个简单的机械连杆跟踪超过250千瓦的PV与单个电机/驱动器/控制器大会。这种简化的设计在更高的能量捕获下，与固定阵列的成本相似。随着能源生产潜力提高15%至35%，引入成本效益的跟踪技术促进了公用事业规模光伏系统的发展。自从投放市场以来，全球已经安装了超过110兆瓦的跟踪追踪器。
虽然T0产品是领先的单轴跟踪器技术，但在设计、安装和成本方面的重大改进导致了一种新的倾斜跟踪器的开发。这种新一代的技术利用T0的技术优势，同时提高能源生产，便于快速部署，并能够通过控制可靠性改进工厂质量保证/ QC。下一代跟踪器的开发是通过以下任务完成的：
bull;扩展控制器和驱动能力
bull;扩大结构设计研究
bull;规范发展
bull;系统设计工具
这些任务的成功执行导致了下一代跟踪器技术的开发和初步部署，在竞争成本方面，相对于转包合同开始时的现有技术，能源生产增加了。
2结果与建议
2.1扩展控制器和驱动能力
该任务的目标是优化控制器板、驱动硬件和软件接口，以简化工厂集成、校准和现场安装活动。
2.1.1控制器的改进
背景
任务1在本合同下的最初作用域提供一个改进的单轴跟踪系统控制器的研制。由于该分包的提案和裁决之间的滞后，最初提出的控制器在单独的资金下得到了实质性的发展。该实验室分包下，项目团队确定了几个改进，针对改进的性能和可靠性。与本分包合同的总体目标一致，这些改进已作为本分包合同的一部分进行。
下面的章节描述了在这个分包合同下对单轴控制器的改进。为了为这项工作提供适当的上下文，还简要介绍了总体控制器的设计。
现有的控制器平台
所述控制系统包括控制计算机和支持电路，以及由电动机和线性致动器组成的驱动单元。这些组件，连同位置和时间反馈传感器，协同工作，设置光伏阵列的角度，以最大限度地收集在任何特定时间和日期收集的太阳能。因为太阳的位置仅仅是时间、日期和位置的函数，所以一个开环系统可以用来计算跟踪角，而不是依靠传感器跟踪太阳。
以下是改进控制器的总体设计目标：
bull;现成组件：与以前的系统不同，该项目下开发的控制器完全由工业现成组件组成。这种方法使设计团队能够利用现有技术的成本结构、可靠性和性能，同时减少设计时间和资源使用。一个定制的解决方案也不可能产生足够的数量以产生显著降低成本所需的规模经济。现成的控制器组件，用于提高控制器的例子包括工业可编程逻辑控制器（PLC），变频驱动器（VFD），加速度计，和全球定位系统（GPS）接收机。
bull;全球定位系统技术：商用的GPS能力被纳入控制器，主要用于访问GPS系统中嵌入的实时时钟信号。第二个同样重要的优点包括GPS接收器，系统位置通常被配置为系统调试的一部分，由系统自动捕获，从而减少配置时间并消除配置错误的可能性。
bull;配置软件界面：作为改进系统调试过程的一部分，开发了一种改进的控制器用户界面。该系统可以在任何Windows计算机上运行，但通常由现场技术人员在膝上型计算机上使用。
最初提出的改进控制器包括一个网络接口，允许在网络连接可用的情况下远程访问系统。在详细的成本/收益分析之后，确定了在每个控制器上包含一个网络接口的成本过高，考虑到它提供的功能。这种接口所需的组件包括网络接口卡、光纤收发器和布线，这些控制器将使控制器的成本至少增加30%。作为回报，每个控制器都可以在线进行远程诊断。考虑到该系统也被设计用于高可靠性、独立操作，增加的成本被认为是不合理的。
现有控制系统组件
三菱可编程序控制器
根据控制系统所需的特性，有几种可供处理单元使用的选项。这些范围从一个工业PC到一个定制的嵌入式控制器。考虑到使用高可靠性、现成部件的目标，选择使用工业可编程逻辑控制器。PLC提供了工业寿命和可靠性、确定性的软件设计和广泛的I/O选项的优点。
变频驱动
更可靠的和精确的电机控制、工业变频驱动器（VFD）从三菱作为控制系统的一部分。系统中的变频电机控制，有很多的可能性。我们目前正在运行的变频器只在一个单一的频率，60赫兹，正常运行时。一个简单的Bang-Bang控制死区 / - 0.17度是用来确定当电机运行，以保持低占空比的长期可靠性的目的。一个大约0.09度的倾角仪测量分辨率，这个结果在2位的分辨率在 / - 0.17度的死区。
在自动运行速度下，测斜仪的反馈信号每5至6秒变化一次。这表明，控制回路需要运行在不超过5秒的间隔。
倾角反馈/测斜仪
优先控制系统用电位计测量倾斜角度。这种传感的分辨率不超过8位，分辨率约为0.35。尽管电位计的分辨率相对较低，但系统的跟踪精度被认为是足够的。然而，电位计还有许多其他缺点，其中最重要的是长期可靠性。
作为一种更高可靠性的替代方案，作为该项目的一部分开发的控制器使用固态测斜仪。与电位计反馈机制相比，这种方法有三大优点：
bull;固有的更高的可靠性
bull;更高分辨率0.09度
bull;角度的直接测量。
测斜仪的输入是一个0-10 V范围的模拟输入模块测量。该模块能够0-5 V输入为好，但我们选择不使用这个范围，因为它需要校准。这意味着我们使用的传感器的10 V范围约2.84 V总，所以基本分辨率略优于10位。这大约是1的1000部分，大约是90度1000度或0.09度。
全球定位系统
全球定位系统硬件从手机到车载导航系统的应用越来越广泛。因此，商业组件变得相对便宜。选择用于海事应用的商业GPS单元集成到控制器中。该单元通过标准串行链路连接到PLC，并支持专用命令集。
这个GPS单元执行两个功能，计时和系统位置确定。
计时
虽然不是一个很好理解的问题，但实际上很难建立一个能够在非常长的时间段（即年）极其精确地跟踪时间的时钟。虽然小的时间误差通常只会导致非常小的跟踪误差，控制器需要更精确的时间测量。其主要原因是该公司的回溯技术，该技术防止在低太阳角时面板之间的阴影。回溯算法对精确的时间和时间非常敏感，因此只需几分钟的时钟漂移将导致小于最优的能量输出。
由于控制器中的实时时钟在短时间内（天数和星期）相当精确，所以只需定期校准它。因此，GPS时钟信号被用于周期性地更新控制器的内部时间，从而消除长期错误的影响。
系统中的位置
通常，调试太阳能跟踪系统的一部分需要设置特定于系统的控制器参数。这些参数包括系统位置，由经度和纬度定义。如果没有准确的位置信息，控制器将无法准确地确定太阳在给定时间的精确位置。
随着GPS系统的安装，系统位置的确定对执行配置的技术人员来说变得微不足道。GPS单元直接将精确位置与控制器通信，然后将结果显示给操作员以供验证。由于这是GPS所提供的主要功能，所以很难预料到来自此操作的任何错误。总的来说，GPS功能减少了配置错误的机会，缩短了配置时间。
配置接口软件
作为改进系统调试过程的一部分，开发了一个改进的控制器用户界面。该软件在直接连接到控制器的PC上运行。该软件包括显示当前系统信息并允许对配置变量进行更改的多个屏幕。图1是用户通过PC接口配置控制器的屏幕的一个示例。
组件添加和改进
在这个分包合同下，正在对现有控制器进行几项修改，以提高可靠性、降低成本和提高性能。这些改进包括以下内容：
变频器的可靠性
用在现有的控制器VFD已重置在现场多次。虽然失败的原因还不清楚，但是正在考虑软件和硬件的变化来解决这个问题。这些可能包括改变变频器的构造，以及诊断和控制软件来检测和实时修正问题。
减少控制成本
目前正在进行两项努力以降低控制器装配的成本。首先，正在对设计进行全面的审查，以优化任何可能不必要地增加系统成本的组件选择。这些改进的例子包括评估导线尺寸和容量、熔断器、开关等。此外，正在进行搜索以降低控制器装配操作的成本，该操作目前外包给单个制造伙伴。预计竞标过程将大大节省成本，同时也有助于缩短交货期和提高质量。其他制造过程的改进，包括运输考虑和装配位置也正在调查中。总的来说，期望从这些活动中降低控制器和驱动单元的总成本可能超过20%。
参考单元
作为提高控制器可靠性和更好地理解性能的努力的一部分，将向每个控制器添加一个参考单元。此单元允许数据采集系统精确测量PV模块在特定跟踪器上所看到的辐照度，从而更好地跟踪跟踪算法对系统能量输出的影响。
2.1.2驱动的改进
背景
电流驱动单元用于T0跟踪系统目前由一个1/2马力的3相交流电机驱动一个15吨的螺旋起重机直线驱动器。执行器转动光伏通过推杆和多臂杆连接到光伏组件的多行（见图25）。这所有的电气配置能够执行超过250千瓦的光伏组件安装在一个水平轴跟踪时。驱动系统的早期版本存在可靠性问题，主要与位置反馈机制和行程限制有关。虽然这些问题大部分是通过控制系统的改进来解决的，但仍在考虑其他驱动配置，以降低系统总成本。
图25
除了成本和可靠性之外，研究替代驱动系统的第二个动机是允许使用更小的跟踪系统。虽然现有的驱动系统适用于大型跟踪器，但许多跟踪器的最大尺寸不能在现场部署——或者是由于站点布局限制、高风况或其他考虑因素。随着T20介绍这个问题变得越来越重要，这是建立非常短的行，因此大约100千瓦每跟踪实际有限。作为一个结果，每瓦的基础上一美元，同样的驱动系统多为T20两次将T0平台昂贵的情况下。
执行机构类型调查
而电动齿轮马达和推杆机构具有单轴跟踪系统表现出良好的性能，项目组认为，替代驱动方法的综合审查是适当的。因此，考虑了几种驱动系统和配置。注意，执行机构的讨论已经从计量方法的讨论分开，因为这有助于简化分析。
这里对液压执行器的使用进行了特别深入的讨论。液压执行器的许多方面是理想的太阳能跟踪应用。液压执行器可以在非常低的速度下施加非常高的力，这正是在强风中跟踪太阳时所经历的条件。此外，水力发电可以分布在很长的距离，通过高压软管，和执行器本身相对简单和廉价的。最后，液压致动器是非常坚固的机械和农业设备的使用证明。然而，水力学也有一些主要的缺点。这些系统依靠密封来保存液压油。一般来说，所有密封件最终都会泄漏，尤其是当系统连续运行25年或更久时。使用环保的液压植物油可以缓解这一问题，但对易泄漏液压执行器的维护要求仍然存在问题。
其他电动执行器也被认为具有不同的驱动机制。其中最有希望的是使用蜗杆传动减速器的直接驱动。这种结构具有无限的运动范围和非常简单的机构的优点。然而，减速器具有适当的额定负荷来支持预期的风荷载被认为是太昂贵了。以下各节提供了关于每个驱动方法的一些细节，然后是一个总结每一个方法的正面和负面的表格。
2.2扩大结构设计研究
这项工作的目标是为跟踪器的下一代结构设计。
2.2.1 T20的设计工作
设计目标
任务2下的一个目标是探索单轴跟踪系统的替代几何结构。在此之前，最常见的单轴跟踪系统
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资料编号：[16179]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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