提升发电效能 嵌入式让太阳能追日系统更完善

2013-11-30 14:36:07来源: 互联网

随着环保议题发烧,基于太阳能洁净能源的应用条件,恰好迎合全球化的洁净能源追求目标!而太阳能电池板碍于材料本身的光电转换效率受限,使得发电能量的提升限制多多,反而透过追日系统的整合,充分利用每一分光照进行光电转换,提升太阳能发电系统的能效,同时亦可达到设备快速回收目的。..

太阳能发电热潮,因为搭上环保议题而持续发烧,即便目前主流的太阳能电池板可用之光电转换效率,量产型的太阳能电池模组仅有约20%上下的光电转换效能,因此要达到实用的发电能量,就必须以太阳能电池板的「量」来扩充发电效能

 

运用智慧追日系统,即时因应多变日照条件变更基座倾角与方位,达到提升太阳能发电机组的最高效能。

 

大型太阳能发电厂,大多使用追日系统来提升整体的太阳能发电效能。

即便想在量的部分提升,但实际上,受限于可用楼板面积或是空地面积,加上太阳能电池都有一定的尺寸与面积,实际装设时却会因此受限,无法无限制的扩充电池板数量,也仅能装设一定数量的太阳能电池板。

在电池板数量有限的限制下、电池板的材料又无法在近期获得光电转换效能大幅改善的状态下,建构太阳能发电系统就必须思考别的方向,来改善发电能效。

太阳能电池材料改善光电转换效率效益有限

目前太阳能发电系统发展趋势,先排除太阳能电池板的材料问题,也先不要讨论模组设计方案问题,就单纯自架设方式来讨论。因为太阳能毕竟是取自大自然的太阳日射光线进行光电转换、进而产生所谓的「发电」效果,基本上取自自然的日照光源,自然就会因为季节、环境、天气等多变条件而产生日照差异。

常见的方法是依据如气象监测单位提供的歷史参考资料,大致取得日照变化特性数据,或使用现地的量测进行分析与推估,基本上使用歷史数据或是现地量测,所取得的日照状态虽有参考价值,但实际上与现地日照实况却有相当大的差异,这种数据与实际落差,加上太阳能电池板为採取固定式装设方式,等于一整天下来仅有的日照只在短暂的一段时间内才能让太阳能电池板具最佳的输出功率。

这种应用限制状况,为因为要让光电转换产生最大化的效率表现,通常要让日照与输出侦测达到一定程度的对比,有时可能不光是电池板的倾角问题,不同的电池板在日照与板材倾角稍有差异才会有较大的输出也不无可能,光靠固定基座搭配歷史日照资讯进行评估,怎么做都难以让太阳能发电系统能处在最佳化的光电转换条件进行发电。

较务实的作法,为採取智慧型的追日系统,所谓的追日系统,为利用可活动的太阳能电池底座,搭配有限的伺服马达、与自行自太阳能取得转换的电能控制驱动调校面板的动态倾角,以即时分析太阳能电池板最大输出与对照最佳面板倾角,达到有效的追日与提升发电效益的作法。

利用追日系统改善整体发电效能

即使是进行追日设计方案,也有分智慧与预置调校角度範围方式的两大设计方案。所谓预置调校角度範围追日设计方案,为利用相对较固定的追日倾角、範围,设置活动可自动控制的太阳能电池板基座,搭配时序计数与歷史日照变化数据,让太阳能发电系统可以依据歷史日照进行自动角度调校,达到近似主动式追日的应用效益。

这类预置调校角度範围的追日系统设计,虽然较固定式的太阳能电池板架设方案所产出的电能更多,但实际上仍有其追日误差範围,而每片太阳能电池板的最佳发电面板倾角并不见得一致,也会有些微的小误差存在,若使用一致性的太阳能电池板角度调校设计方案,可能会让部分太阳能电池板的效益无法达到最大输出。但预置追日角度的自动控制设计方案,因为基座设计结构较单纯,追日系统设计方案简洁、易维护,加上装设资材成本相对较低,也不乏有业者採行。

嵌入式系统整合追日基座 有效提升发电效能

另一种相对较全面的智慧追日系统,就比採用预置调校角度範围的追日设计方案能榨出更多太阳能电池的发电效能!智慧型追日为採行单片或多片太阳能电池模组的整合可变接收日照角度基座设计,至于调校太阳能电池板日照接收角度的基座设计,就落在单片固定基座或是多片型态的整合基座上面,而追日的基座角度调校基础为直接Real Time侦测位于基座上的单片、或多片太阳能电池来进行输出与基座角度关係的分析比对,藉此取得最佳日照效果与主动变更基座角度的设计型态。

由于基座角度为随时视发电状态进行变更,即便是为了省电或是避免基座损耗採取每10或25分鐘进行基座角度主动调校,都至少会比预设基座调校角度範围型态的追日系统,取得更精确、务实的最佳日照太阳能电池基座倾角设计。

一般太阳能电池的智慧型追日基座设计方案,需考量即时电池板的发电输出检测、电池板角度对照与控制基座倾角转换与电池板输出功率表现差异,为能快速产生参考数据,基本上为採行智慧型SoC平台或是FPGA应用平台为主,因为太阳能电池的追日系统,通常也是随同太阳能电池基座设置在装设环境下,也就是屋顶、空地等户外空间,这类环境通常伴随高温、高潮溼等严苛条件,使用SoC或嵌入式应用平台,可以达到较佳的系统运行稳定性,同时追日系统为使用太阳能发电自给自足,运算单元必须达到有效节能才能发挥追日系统提升整体发电量的实用效益。

另追日系统为了与太阳光日照方向同步移动,基本上为了节省驱动电能,基本上是不用採实时持续追踪、同步移动,因为日照变化量过程还算缓和,基本上可以设定时间段的方式,採区段感测、分析、调整同步驱动角度后,再将基座角度锁定,而不需时时同步驱动,以免将太阳能电池模组採集来的宝贵电能都在追日系统伺服机制上消耗掉了。

至于追日系统的可变角度基座的结构设计,一般是尽量减少伺服马达的数量,因为马达负载减少也相对代表耗能较低,但一般至少需要2组驱动马达设计,搭配基座结构去进行叁维空间的倾角与方向变化,尽量让日照充分投射于太阳能电池板表面,达到最大化的发电容量产出。

搭配输出感测与关键感测器 让智慧追日系统更完善

一般智慧型追日系统,可以在光伏电池材料本身的发电输出,先并联一组类比/数位(D/A)转换器,将输出之光电转换之发电容量即时反馈给SoC或嵌入式系统中,作为追日分析之方位、角度最佳化计算基础资讯,而在嵌入式系统即时找到最佳角度与日照方位时,追日系统随即驱动伺服马达进行基座的重定位,同时搭配输出电能侦测回测确认基座已定位在最佳化之太阳能电池板角度上,让太阳能电池板随时处于最高效的发电状态位置上。

同时,为了避免追日系统耗用过多电能,进行系统之输出验证与重定位上,基本上我们仍可先建立基础的日照方位、角度最佳化歷史气象资讯数据模型,让追日系统可以在既定歷史数据模型上进行10~15%的最佳化追日基座微调最佳化驱动程序,避免智慧型追日系统持续不断重新换算最佳追日角度、方位,让基座反覆驱动、变更方位角度,徒增电能浪费。

同时,也是智慧追日系统本身的节能考量,在进行追日角度与方位换算时,智慧型追日系统也必须设置一容许範围值,而不需为了追求输出极大化而反覆进行验证、变更基座角度/方位程序,同时利用前述搭配时间段的方式进行区段定位侦测,避免过度追求系统发电效能提升,反而让追日系统成为太阳能发电机组的耗能问题。

另一方面,在追日系统也必须设置平衡感测器、追踪感测器,平衡感测器的目的在让系统取得初始的水平平衡与方位的準确定位,避免驱动方向出现错误影响系统精度。另一方面在追踪感测器方面,可以在太阳能电池板上四个角落设置,藉以侦测取得整面太阳能电池模组的準确光照强度。

关键字:发电效能  嵌入式

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2013/1130/article_21482.html
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