Al Presher

新一代太阳跟踪系统正在风起云涌的太阳能产业中扮演重要角色。但是对于工程师来说，这些新型系统的设计挑战在于，如何平衡成本、安装简易度以及长期的可靠性。

快速原型和仿真为集中式光伏（CPV）技术的发展提供了开发高级控制算法和更为复杂的双轴系统的工具。但是，大规模太阳能工厂所使用的主要还是单轴太阳能跟踪控制系统，它更关注成本、安装、以及产品可以具备20到30年的生命周期。

全球晶体硅光伏（PV）模块的领导厂商Suntech能源控股公司，最新推出了Reliathon™，具备长期的可靠性，可以作为未来太阳能设备的关键元件。

Reliathon是一个集成式的太阳能平台，其产品和商业创新之处在于，降低了成本，加速太阳能电厂实现并网发电。该系统的目标，是将模块创新、Suntech模块的全新实用性售后保证与业内领先的逆变器及跟踪设备厂商的伙伴计划结合起来。这些厂商包括Advanced Energy、Array Technologies、Satcon、Siemens Industry和SMA。

Reliathon 270-W模块涵盖自校准面板、集成化接地与布线管理、以及全新的“一拖二”设计。独立电路的特征是拥有两个36芯的电池组，可以让固定倾斜系统（光伏板）在清晨和傍晚更好的发电。Array Technologies的DuraTrack™太阳跟踪系统也是专门进行开发的，每兆瓦交流电只需要使用两台电机，而传统上每兆瓦需要四台电机，这样就降低了系统的维护费用。

“我们一直在关注光伏发电厂的水平单轴跟踪系统，因为它可以让我们使用电机就可以控制1.5兆瓦的PV面板。这是一套非常简单并且稳定的系统，使用480伏三相电机，维护费用很低，设计可以低成本的可靠运行长达30年，”Array Technologies的副总裁Ron Corio说道。

DuraTrack太阳跟踪器区别于其他民用公司水平轴跟踪器的独特之处，是它的驱动系统。其他水平系统使用推/拉式连接，通过线性启动器或者马达式驱动移动各轴，而Array Technologies设计使用的是旋转时驱动连接。

驱动连接体积小、重量轻，使用关节接头。关节接头不再需要对设备安装的地面进行评级，这样可以将系统部署在山地之上。同时，这种设计也让安装更加容易，在成本、复杂度和维护难度最小的情况下，保证每台电机都拥有灵活性。

系统的水平梁是通过齿轮箱南北向的加载在系统中心的。旋转驱动链垂直于行的运动，在水平面上由东至西旋转面板。系统中的控制器是一台装有GPS输入的PLC，Array Technologies还使用控制器的编程软件开发了应用代码。基于GPS位置、日期和时间的算法，加上天体力学的应用，就可以计算太阳的位置以及跟踪器的合适位置。

Corio在跟踪器的领域工作了20余年，他说发电和住宅系统的增长非常迅速，但是每家公司都在关注和寻找下一个巨大的市场。

能源功率最大化

“发电厂的每一点变化都会对能源生产率产生影响，这里要谈的是发电行业经常提到‘功率’，”SunPower公司的民用产品总监Matt Campbel说。他说核电站的功率可以达到93%，而即便是在沙漠中日照充足的地方，太阳能电厂的功率也就是30%到34%。像佛罗里达这种地方只有25%，在芝加哥的项目则是可怜的22%到23%。

通过跟踪优化功率，最简单的就是让面板始终直对着太阳，这样发电量最大。相比那些只固定朝南方向的面板，跟踪技术可以让能源生产率提高30%。

从设计的角度来说，大型太阳能系统面对的是一个复杂的优化问题。优化目标分别是：跟踪系统成本、获取的能源量、系统占据的土地面积。

SunPower的单轴跟踪器控制面板由东至西的旋转，而倾斜角度是从0度到20度。这家公司的T20跟踪器倾斜角度就是20度，Campbell认为，对于单轴跟踪器来说，这种设置可以获得最大的能源功率。但是缺点在于需要更多的土地，所以这就构成了一个优化问题，需要设计师在具体的项目中加以解决。“有时即便需要多一点土地，倾斜也是有利可图的，而有时保持水平则更为经济，”Campbell说。

单轴系统的特征包括简单的镀锌钢结构和和4英寸见方的万向轴管，可以把面板装在接近地面的位置，支持轴旋转。该轴管可以使用树脂制轴承进行安装，这种轴承不需要润滑，可以每年旋转365个周期，正常工作30年。

同一行的光伏板使用驱动梁或者驱动支撑来进行连接。想象是一个天窗，一根梁可以同时并行移动同一行的所有元件。在驱动支撑梁的一端，有一个受可编程逻辑控制器控制的0.5马力的电机。GPS会将时间、日期、经度和纬度信息传递给跟踪器，而控制器使用自动跟踪算法计算太阳的位置。

“一台马达最多可以驱动300千瓦的面板，这是一款成本非常有效的设计，”Campbell说：“作为一个此类系统的设计师，你在保持现有体系结构的同时，要尽可能的降低成本。”

他认为最大的一个挑战，是让客户拥有一份安心的长期资产，让这套系统可以稳定的工作30年甚至更长时间。但是开发跟踪系统也需要遵循当地的建筑规章，以保证人的生命和安全。

设计遵循规章，同时实现低成本和快速安装，对于大型中心发电厂建设越来越重要。随着跟踪器服务的电厂规模由100兆瓦扩大到上千兆瓦，另外一项设计准则也必须要考虑，就是所占土地的规模。

“因为我们面临气候变化，对于可再生能源来说最主要的挑战还在于它的规模，我们可能需要光伏有朝一日可以提供所有的能源，”Campbell说：“这其中包括屋顶、分布式电站和还不存在的中心电站。我们正在启动第一个项目，这对于我们了解如何从技术、选址和环境影响等多个角度考虑设计问题将会非常重要。”

原型和仿真工具

国家仪器（NI）也正在关注绿色和可再生能源项目，该公司的高级产品经理Brian MacCleery认为，太阳跟踪技术的驱动原因之一，就是集中式光伏的出现。因为这些系统中使用的光学元件，将太阳光放大然后集中到一个小型太阳能电池上，这需要对太阳进行非常精确的双轴跟踪，才能获得最大的能量输出。

他说许多太阳能的客户都在使用物理原型和虚拟仿真技术来研究创新性的太阳跟踪设计理念。这一理念可以提高光伏电厂的效率，同时经受住外界环境的严格考验。

对于原型生产来说，现在的趋势是朝向高级系统设计工具以及融合了嵌入式的实时处理器、FPGA和多种不同类型模块化I/O可以实现快速连接，并且是具有高级编程环境的现货型硬件产品。“使用这些工具，一个小型的团队就可以快速制造出功能原型，而传统的电路设计过程需要大型设计团队花费很多时间才能开发出原型，”MacCleery说。

他谈到仿真和虚拟原型制造都起到了重要作用。用户可以开发一个太阳跟踪系统的CAD模型，然后使用LabVIEW根据理论原理测试控制系统。设计师可以决定电机所需的扭矩、分析元件的机械强度、模拟跟踪运行的情况、甚至使用逆运动学确定运动中每一个轴的理想轨迹。

“提供跟踪技术的公司，需要在一开始就进行机电一体化设计，弄清楚他们所分析系统的优点和缺点，确定元件和电机的尺寸，观察机械磨损和扭矩，”MacCleery说：“由于太阳能面板需要工作长达20到30年，跟踪器中的每一个元件都必须经过测试，这样才能确保系统在设计年限中可靠的运行，并且做出最佳的维护计划。”

在墨西哥城的智能控制与自动化应用研究中心，他提到一个研究团队正在为太阳跟踪系统进行一项由上至下的机电一体化设计。所有的机械元件都使用SolidWorks进行的设计，通过可以将运动控制软件连接到CAD工具的LabVIEW/SolidWorks接口开发虚拟原型，然后运行它查看是否反映出真实的产品情况。

研究团队通过SolidWorks进行张力、压力以及扭力分析，又通过物理原型，重新使用控制代码并将其输入到NI CompactRIO控制器当中用于实际跟踪。该团队正在开发新型基于人工智能的先进控制算法，目标是在能源消耗最小的基础上，实现对太阳尽可能精确的跟踪。