【正文】 自動跟蹤儀系統(tǒng)設(shè)計 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 摘 要 以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將愈來愈不適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，加速開發(fā)利用以太陽能為主體的可再生能源己成為人們的共識。對目前跟蹤器存在的問題進行了分析，提出了新型自適應(yīng)復(fù)精度太陽跟蹤平臺和通過單片機控制步進電機的太陽跟蹤平臺的系列方案。根據(jù)公認的 估算，如果人類對能源的需求以目前的速度增長，全世界的石油將在今后 40年間被耗盡，而天然氣和煤也最多分別能維持 60 年和 200 年左右。但由于我國人口眾多，人均能源資源嚴重不足，而我國現(xiàn)在所面臨的卻是能源需求量成倍增長的嚴重挑戰(zhàn)。 光伏發(fā)電的特點 太陽能利用可分為熱利用和光伏發(fā)電兩種方式，熱利用主要在采暖領(lǐng)域多， 形式比較單一； 而光伏發(fā)電可以把太陽能轉(zhuǎn)換為當今最普遍的能源利用形式 — 電能，從而具有熱利用不可比擬的優(yōu)勢，同時光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他發(fā)電系統(tǒng)相比具有許多優(yōu) 點 [2]： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 ，用之不竭，每天照射到地球上的太陽能是人類消耗的能 6000 倍。 ，維護簡單。 ，由于是模塊化安裝，不僅可用于小到太陽能計算 器的幾個毫瓦，大到數(shù)十兆瓦的光伏電站，而且可以根據(jù)負荷的增減，任意添加或減少太陽電池容量，既方便靈活，又避免了浪費。 1999 年德國光伏上網(wǎng) 電價為每千瓦時 馬克，極大地刺激了德國乃至世界的光伏市場 ； 印度、馬來 西亞等東南亞國家，也制定了國家的光伏發(fā)展計劃。目前，最大的太陽能發(fā)電裝置出力已達到 10MW， 1KW 的太陽能發(fā)電裝置每年發(fā)電量為 1670KWh，這意味著在澳大利亞每年可節(jié)省 160 美元的電費。 在我國，隨著國民經(jīng)濟的穩(wěn)步發(fā)展、綜合國力的不斷提高和科技的進步，特 別是“西部開發(fā)”戰(zhàn)略的實施，利用西部地區(qū)豐富的太陽能、風能資源解決占國土面積加以上的遼闊地區(qū)幾千萬人口的用電問題這一偉大構(gòu)想己經(jīng)逐步成為現(xiàn)實。 1996 年，我國由國家計委牽頭制定了實施 “ 中國光明工程 ” 的計劃。另外，中科院電工所先后建成了西藏雙湖 25kW、安多 100kW、班戈 70kW 和尼瑪 40kW 光伏電站的建設(shè)。 基本的光伏發(fā)電系統(tǒng)包括光伏電池板、 DC/DC 變換裝置、儲能裝置、電能 輸出變換裝置、控制器五大部分（ 如圖 11） 。在聯(lián)網(wǎng)光伏電源系統(tǒng)中還要有交流聯(lián)網(wǎng)裝置和電能計量裝置。 本課題研究目的及所做的工作 目前太陽能的利用還遠遠 不夠，究其原因，主要是光伏系統(tǒng)發(fā)電的投入成本太高，如何最大限度提高太陽能的利用率，降低光伏系統(tǒng)發(fā)電的成本，這仍是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。 運行方式。目前大規(guī)模使用的主要是單晶硅和多晶硅電池，因為其資源豐富、轉(zhuǎn)換效率較高（澳大利亞新南威爾士大學(xué)的格林教授已將單晶硅電池的轉(zhuǎn)換效率提高到 24%），所以現(xiàn)在開發(fā)得也最快。由于光照產(chǎn)生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內(nèi)部構(gòu) 成自 N 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流，在 PN 結(jié)短路情況下構(gòu)成短路電流 Isc。若在內(nèi)建電場的兩側(cè)引出電極并接上負載，則負載中就有“光生電流”流過，從而獲得功率內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 輸出。將每個單元進行串、并聯(lián)并封裝后就成為光伏電池組件，功率一般為幾瓦、幾十瓦甚至數(shù)百瓦，眾多光伏電池組件需要再進行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽能發(fā)電機（ Solar Generator）”。目前使用的光伏電池可看作 PN 結(jié)型二極管，因為在光的照射下產(chǎn)生正向偏壓，所以在 PN 結(jié)為理想狀態(tài)的情況下，可根據(jù)圖 22 表示的等效電路來考慮。此時的等效電路可根據(jù)圖 23 來描述，其伏安特性可由 22 式給出。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。如圖 24 所示 [6]。 Voc：在給定日照強度和溫度下的最大輸出電壓。 ： MOC SCPFF VI? ? （ 23） ：輸出功率 Po 與陽光投射到電池表面上的功率 Ps 之比，其值取決于工作點。圖 26 是溫度不變時，不同日照強度下的光伏電池的特性曲線。而短路電流是隨光強的增加而成正比的增加 所以，在溫度恒定的情況下，電池的轉(zhuǎn)換效率會隨光強的增加而增加。由公式 MMPP Sp p????可知其效率隨著溫度的上升而下降，即光伏電池轉(zhuǎn)換率具有負的溫度系數(shù)。雖然太陽光經(jīng)過會聚之后會造成一定的光學(xué)損失，流失一部分能量（相對較少），但實驗表明在一定程度的光線會聚之后，工作溫度有一定程度的提高。具體公式如下 [7]： AC A??吸 （ 31） 聚光比影響著聚光器的工作溫度及其成本。 圖 31 聚光比與聚焦中心可能達到的最高溫度的關(guān)系 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 典型聚光器的性能分析 拋物面反射鏡的聚光性能 理論和實驗都已證明拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會聚于焦點的鏡面。圖 32 為典型的槽形拋物面反射鏡的光路圖。 ； R 為拋物面上任何一點到接收器中心的距離，根據(jù)拋物而的方程2 4sincosy fxyRx f R??? ????? ???求解得到： 21 cosfR ?? ? （ 34） 4 sin1 cosfd ??? ? （ 35） θ— 位置角，即任意一點的反射光軸與鏡面主光軸之間的夾角。其它形狀的接收器，可以根據(jù)相同的原理進行分析 [8]。復(fù)合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設(shè)在底部的接收器構(gòu)成。 圖 34 復(fù)合拋物面聚光器的光路分析圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 如圖 34，已知拋物線 U 和拋物線 V 是軸對稱的，且拋物線 U 的焦點 fU 在拋物線 V上，根據(jù)對稱性原理拋物線 V 的焦點 fV也在拋物線 U 上；拋物線的主光軸與 CPC 中軸的夾角為 θmax。 根據(jù)已知理論，理想的二維 CPC 的聚光比為： max1sinBC d ??? （ 38） 根據(jù) 38 式知， CPC 的聚光比完全由 θ max 決定，要得到大的聚光比， θ max 就必須減小，但理論及實驗均證明 θ max 減小會導(dǎo)致一年之中調(diào)整 CPC 的次數(shù)增加。陽光從平面一側(cè)透射到另一側(cè)，經(jīng)過鋸齒棱角折射，會聚到一個小的區(qū)域范圍內(nèi)，其光學(xué)原理如圖 36所示。因為實際的鋸齒是有寬度的，所以陽光透過鋸齒折射之后并不是會聚在一點，而是一個焦斑區(qū)域。 表 31常見太陽能聚光器的性能參數(shù)比較 常用太陽能聚光器的經(jīng)濟性： 拋物面反射鏡聚光器加工工藝復(fù)雜，加工誤差較高，制造費用高。而且就復(fù)合拋物面聚光器本身來說，其結(jié)構(gòu)及其制造工藝與拋物面反射鏡聚光器基本相同，使用過程中也存在反射層易脫落、隨時間推移性能明顯下降的問題。 通過對以上三種典型的聚光器的分析對比可知，對于太陽能中溫工業(yè)所需要的基本工作溫度來說，三種聚光器的性能相差不多，選擇的關(guān)鍵就是成本問題。由于拋物線末端曲率小，反射作用不大，所以對完整的 CPC 反光板進行截斷處理，可以節(jié)省反光板材料，而光學(xué)效率并不會降低很多。對聚光器進行截斷優(yōu)化處理之后， CPC 反光板的橫截面如圖 37 所示： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 37 截斷后的 CPC 反光板和真空管 CPC 截面輪廓上的尖頂與真空管之間的間隙是 g= ， r=，則尖頂?shù)秸婵展艿那芯€長 t =，該切線與水平面的夾角 Φ 0=176。 根據(jù)以上模型，結(jié)合文獻 [11]的公式計算分析，截斷角 θD可選取在 55176。 圖 38 半接受角 ?a 與截斷聚焦比 C 的關(guān)系 由于 CPC 聚光器有較大的接收角，所以其南北走向可以作為一個不跟蹤的聚光器來使用，因此系統(tǒng)僅要求在東西方向上跟蹤太陽即可，這大大減少了跟蹤系統(tǒng)的復(fù)雜性和投入，聚光器東西放置即可每天跟蹤太陽位置的變化。因此使光伏電池工作于最大功率點上是一個提高效率的重要途徑，進行最大功率點跟蹤（ Maximum Power Point Tracking）控制是光伏發(fā)電系統(tǒng)所必需采取的措施。其控制原理是：從生產(chǎn)廠商處獲得 VM 值，通過控制使陣列的輸出電壓鉗位于 VM 值即可實現(xiàn) MPPT，也就是簡單的穩(wěn)壓控制。 為克服溫度變化給系統(tǒng)帶來的影響，可以在此基礎(chǔ)上加以改進： a）對給定的 VM通過電位器手動按季節(jié)調(diào)節(jié)。其原理是先給定一電壓增量（ Upv+△ U），再測量它變化后的功率，與擾動之前功率值相比，若 功率值增加，則表示擾動方向正確，可朝同一方向擾動△ U；若功率值減小，則向相反的方向擾動△ U。 b)當環(huán)境條件快速變化時，會造成跟蹤速度緩慢，無法快速地保持在最大功率點上振蕩。 Pm=V*I （ 41） dP/dV=I+V* dI/dV =0 （ 42） dI/dV= I/V （ 43） （ 43）式就是達到最大功率點的條件，即當輸出電導(dǎo)的變化量等于輸出電導(dǎo)的負值時，電池工作于最大功率點。而擾動法則與之相反，雖能自動搜索 VM，但存在擾動輸出問題。改進之處在于，當系統(tǒng)找到最大功率點所對應(yīng)的電壓后，將在此電壓工作一定時間，而不是不停地搜索下去。顯然，在現(xiàn)有的技術(shù)下要降低光伏發(fā)電的成本，除了提高光伏電池裝置的能量轉(zhuǎn)換率（第三章中己介紹），光伏電池列陣還需要隨時跟著太陽的運動而運動才能收到最大的輻射能量。以下列出的幾種跟蹤器是這兩大類中的比較有代表性、應(yīng)用較多的跟蹤器 [11]。但是該跟蹤器容易產(chǎn)生過跟蹤的情況，只能用于單軸跟蹤，精度低。 圖 51 控放式跟蹤器工作原理圖 3）采用計算機控制和天文時間器控制的跟蹤器 這類跟蹤器需要大規(guī)模集成電路以及數(shù)據(jù)庫構(gòu)成的計算機處理系統(tǒng)來控制工作，成本很高。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。如果太陽光垂直照射采光板，東西（南北）兩個光敏元件接收到的光照強度相同，此時電機不轉(zhuǎn)動。 目前太陽能自動跟蹤器所存在的問題 根據(jù)前面所介紹的典型跟蹤器可知：主動式跟蹤系統(tǒng)屬于不可逆跟蹤，在跟蹤過程中遇到云彩遮住太陽時，只能以一定速度繼續(xù)運行，以保證太陽復(fù)出后能使跟蹤不至于間斷；在跟蹤過程中，系統(tǒng)對控制誤差和機械傳動誤差無法修正，造成較大的累積誤差，跟蹤精度會隨時間推移降低。其中成本相對較低、精度較高的光敏元件控制式跟蹤器屬于比較理想的跟蹤器。 2）大自然中大氣情況是復(fù)雜多變的，真正的高精度跟蹤，對跟蹤平臺的要求非常高。地球繞太陽旋轉(zhuǎn)，會出現(xiàn)晝夜更替現(xiàn)象，當太陽落山時，跟蹤平臺跟蹤太陽面朝向西邊，然后停止工作，當?shù)诙煸缟咸柹饡r，跟蹤平臺仍然朝著西邊，無法跟蹤太陽。③多云天氣、陰雨天氣。怎樣才能在保證高精度的同時，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，實現(xiàn)完全的自動跟蹤，這內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 一個問題是本課題的核心問題。 自適應(yīng)的含義：該平臺在安裝后就開始 自動工作，不需手動調(diào)整，而且能夠自動根據(jù)光線的偏移情況，啟動不同的精度跟蹤單元跟蹤太陽，屬于裝后不管的“傻瓜”型跟蹤平臺。 太陽位置探測單元 本跟蹤平臺是在傳統(tǒng)光敏元件比較跟蹤器的基礎(chǔ)上進行改進和創(chuàng)新發(fā)展而來。所以目前這類跟蹤器都對其光敏元件進行環(huán)境光屏蔽保護，保證精度。怎樣設(shè)計探測傳感探測單元才能使跟蹤平臺能 夠大范圍的搜索太陽（粗跟蹤），又能對太陽進行精確跟蹤呢？本課題采用簡單的結(jié)構(gòu)、低廉的成本很好的解決了這一問題。當早上太陽從東方升起的時候，光敏元件 G4 接受到的光強（陽面）大于 G1 接受到的光強（陰面），因此輸出一個正的差動信號給窗口形成電路，經(jīng)過處理后驅(qū)動電機使跟 蹤平臺向東轉(zhuǎn)動。 設(shè)置復(fù)精度探測單元優(yōu)點在于：暗筒對外界環(huán)境的散射光及其它干擾光線進行了很大程度的屏蔽，使得外界的干擾光源對跟蹤效果的影響降低 ，保證了筒內(nèi)探測單元的精度；而暗筒外的光敏元件在接收器的主光軸與太陽光線偏離很遠時能夠發(fā)揮功能，解決了烏云、陰雨天氣、日夜交替等對跟蹤效果的影響。 信號處理與控制單元 根據(jù)前面 的設(shè)計，太陽位置探測單元能夠探測出太陽的位置，依賴于光敏元件對太陽光線變化做出的反應(yīng)。 在常用的光敏元件中，光敏電阻具有工藝簡單、體積小、性能穩(wěn)定、靈敏度高以及成本低等特點。這些特點都很適合本課題研究開發(fā)的需求，所以選擇光敏電阻為信號采集元件 [12]。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 首先將電阻阻值的變化轉(zhuǎn)化為輸入信號電壓 Vi的變化，然后將其輸入窗口形成電路。 圖 55 電壓比較器電路圖 電壓比較器工作原理：當輸入信號電壓 Vi 小于參考電壓 VR 時，比較器輸出電壓 V0為 0；當輸出信號 Vi大于等于 VR 時，比較器輸出電壓為 VDD。當 Vi在 VREF(H)∶ VREF(L)范圍之外時，比較器 A 的輸出電平與比較器 B 的輸出電平高低相反，所以與非門輸出高電平。 動力單元 因為直流電機是無法精確控制其轉(zhuǎn)動角度的，所以目前太陽能跟蹤器常用的動力單元為步進電機。 直流電機驅(qū)動電路的輸入信號較小，要對其進行放大之后才能輸出驅(qū)動電機。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 58 功率放大器輸出級的橋式接法 根據(jù)上