【正文】 基于光伏發(fā)電的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案太陽(yáng)電池方陣的發(fā)電量與陽(yáng)光入射角有關(guān)，光線與太陽(yáng)電池方陣平面垂直時(shí)發(fā)電量最大，改變?nèi)肷浣牵l(fā)電量明顯下降?；驹砼c結(jié)構(gòu)：由兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)和減速機(jī)分別構(gòu)成方位角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和高度角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，光電傳感器內(nèi)置放大，與太陽(yáng)電池板方陣平面垂直安裝。隨著光線方向的細(xì)微改變，傳感器失衡，引起系統(tǒng)輸出信號(hào)產(chǎn)生偏差，當(dāng)這一輸出信號(hào)達(dá)到一定幅度時(shí)，方向開(kāi)關(guān)電路啟動(dòng)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始進(jìn)行糾正，使光電傳感器重新達(dá)到平衡，即太陽(yáng)能電池板方陣平面與光線成90度角而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，完成一次調(diào)整周期。如此不斷調(diào)整，時(shí)刻沿著太陽(yáng)的運(yùn)行軌跡追隨太陽(yáng)，構(gòu)成一個(gè)閉路負(fù)反饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了跟蹤。該系統(tǒng)不需設(shè)定基準(zhǔn)位置，跟蹤器永不迷失方向。系統(tǒng)設(shè)有防雜光干擾及夜間停止跟蹤電路，并附有手動(dòng)控制開(kāi)關(guān)，以方便調(diào)試[4]。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖21所示。陰天或太陽(yáng)被云層遮擋時(shí)，光線很弱，發(fā)電量極小，跟蹤將無(wú)意義，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止跟蹤。即使天邊某處透出相對(duì)較亮的光線，跟蹤器也不會(huì)被誤導(dǎo)跟蹤，實(shí)現(xiàn)了防雜光干擾。云散日出時(shí)，自動(dòng)跟蹤器即時(shí)響應(yīng)，找到太陽(yáng)，跟蹤到位。傍晚光線消失，已不能發(fā)電，傳感器會(huì)發(fā)出信號(hào)，夜間停止電路啟動(dòng)，并轉(zhuǎn)回到東方，轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)上下終點(diǎn)共設(shè) 4個(gè)限位開(kāi)關(guān)，以防萬(wàn)一出軌。光電傳感器防干擾電路方位角開(kāi)關(guān)電路高度角開(kāi)關(guān)電路夜間停止電路方位角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)高度角轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)圖21 雙軸光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖跟蹤器所用傳感器有三種：方位和仰角太陽(yáng)傳感器，風(fēng)力傳感器，日光開(kāi)關(guān)。太陽(yáng)傳感器是把聚光電池陣列法線偏離太陽(yáng)光線的角度信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的裝置，它是跟蹤系統(tǒng)的重要部件，在很大程度上決定跟蹤的精度。太陽(yáng)傳感器測(cè)量太陽(yáng)的方位，如有偏向，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使電池陣列對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。風(fēng)力傳感器采用感應(yīng)式器件，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定強(qiáng)度（如8級(jí)風(fēng)）時(shí)，控制器控制仰角驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，使陣列向水平方向運(yùn)行，直到陣列受力最小為止。在這種狀況下，仰角驅(qū)動(dòng)電機(jī)，不受方位太陽(yáng)傳感器控制[5]。日光開(kāi)關(guān)也是采用光敏器件，使白天太陽(yáng)能電池陣列受方位太陽(yáng)傳感器控制而運(yùn)轉(zhuǎn)；夜間，陣列不受方位太陽(yáng)傳感器控制，而僅受日光開(kāi)關(guān)控制向東方向運(yùn)行，即陣列返回到早晨初始位置。雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是目前研究開(kāi)發(fā)使用的系統(tǒng)，它的跟蹤效果好，可提高發(fā)電量，是一種非常有前途的方法，但適用于較大型的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中。我國(guó)部分地區(qū)的無(wú)跟蹤光伏系統(tǒng)，太陽(yáng)能發(fā)電效率較低[6]。針對(duì)這一實(shí)際情況需采用合理的方法進(jìn)行改善，此方法必須滿足低成本，高可靠性，高性價(jià)比。單軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)相比跟蹤效果好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且費(fèi)用較低。鑒于以上談到的太陽(yáng)能發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的原理與基本方法，對(duì)雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了一定的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出具有很好性能價(jià)格比的單軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)也滿足實(shí)際需要。太陽(yáng)能電池板與地面水平面南北方向成φ角，此高度角可手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。東西方位角通過(guò)單片機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，始終追隨太陽(yáng)的東西方位，使太陽(yáng)能電池保持較大的發(fā)電功率[7]。后面部分有詳細(xì)的設(shè)計(jì)內(nèi)容，這里就不具體介紹了。課題設(shè)計(jì)目標(biāo):根據(jù)太陽(yáng)輻射能的特點(diǎn)、光伏電池的特性以及地球與太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能方位角的跟蹤。經(jīng)查詢相關(guān)資料知道秦皇島地區(qū)地理位置，東經(jīng)：118176。33′，北緯：39176。24′。φ——當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?ω——當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)時(shí)角，其計(jì)算公式為 （）式中Ts（0－24h）為每日時(shí)間，時(shí)角上午為正，下午為負(fù)。課題設(shè)計(jì)要求：所設(shè)計(jì)的單軸太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的核心部分是單片機(jī)，需設(shè)計(jì)合理的程序近而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，適時(shí)改變電池板的角度。 表23 時(shí)間與時(shí)角關(guān)系時(shí)間T時(shí)角（度）6：00907：00758：00609：004510：003011：001512：00013：001514：003015：004516：006017：007518：0090第3章 自動(dòng)跟蹤的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外目前已有了很多光伏電站。太陽(yáng)能發(fā)電在我國(guó)多采用傳感器跟蹤式的系統(tǒng)，發(fā)電成本還很高，不利于跟蹤系統(tǒng)的推廣與發(fā)展。提高發(fā)電效率是降低成本的捷徑，本文設(shè)計(jì)的太陽(yáng)能電池自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能電池板始終對(duì)著太陽(yáng)，保持最大的發(fā)電效率，具有成本低等優(yōu)點(diǎn)，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值[8]。太陽(yáng)能電池是依靠太陽(yáng)光輻射能而產(chǎn)生電能的器件，同樣的一塊太陽(yáng)能電池板由于放置的角度不同，所接受的光輻射能就不同，產(chǎn)生的電能就不同。因此為了提高太陽(yáng)能電池電能的產(chǎn)量，可以讓太陽(yáng)能板自動(dòng)的隨著天空中太陽(yáng)的方位角的變化而實(shí)現(xiàn)跟蹤。如下是單軸太陽(yáng)方位角跟蹤系統(tǒng)。太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)主要分為機(jī)械部分和控制部分。機(jī)械部分主要由電池板支架，底座和直流電機(jī)構(gòu)成，控制部分驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以使電池板在東西方向上的0～180度自由旋轉(zhuǎn)?？刂撇糠种饕绍浖惴?gòu)成具有成本低，智能化程度高，擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。高度角可以手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)常見(jiàn)的有框架式、軸架式和旋轉(zhuǎn)臺(tái)式三種。前兩種形式是將光伏陣列安裝在可進(jìn)行太陽(yáng)時(shí)角跟蹤的軸向移動(dòng)固定框架或軸架上。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、安裝方便。適用于支撐單軸跟蹤的小功率光伏陣列，可額外附帶簡(jiǎn)單的季節(jié)性仰角調(diào)節(jié)功能。旋轉(zhuǎn)臺(tái)式形式是一個(gè)較大的可進(jìn)行時(shí)角跟蹤的旋轉(zhuǎn)臺(tái)上安裝可進(jìn)行仰角跟蹤的光伏陣列，它適用于支撐大功率的雙軸跟蹤光伏陣列，其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)較高。本設(shè)計(jì)考慮到高性價(jià)比采用軸架式[9]。本文設(shè)計(jì)的單軸自動(dòng)跟蹤電路主要包括單片機(jī)控制單元和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，如圖31所示。實(shí)時(shí)時(shí)鐘單片機(jī)控制單元電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)圖31 自動(dòng)跟蹤控制電路結(jié)構(gòu)框圖系統(tǒng)的硬件原理圖如圖32所示。工作原理：通過(guò)將實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片的時(shí)間按順序送入單片機(jī)并與設(shè)定值作比較后確定系統(tǒng)工作，即每天早上6點(diǎn)到晚上6點(diǎn)使跟蹤系統(tǒng)工作。單片機(jī)通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制電