【正文】 ........................................... 35 （一）原文 ..................................................................................................................... 35 （二）翻譯 ..................................................................................................................... 39 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 1 摘要 隨著以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將越來越適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，包括太陽能在內(nèi)的可再生 資源將會越來越受到人們的重視。 目前本設(shè)計僅通過簡單的計算公式得到的數(shù)據(jù)，對東西向進行每小時一次的角度改變，南北向進行每天一次的角度改變，再通過單片機的判斷 進行每晚的東西向回歸控制以及每半年的南北向跟蹤方向的改變控制。目前世界的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。這一問題己提到全球的議事日程，有關(guān)國際組織己召開多次會議，限制各國 COZ等溫室氣體的排放量。占人們能源消費的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。鈾的年開采量目前為每年 6萬噸，根據(jù) 1993年世界能源委員會的估計可維持到 21世紀(jì) 30年代中期，核聚變在 2050年前沒有實現(xiàn)的希望。其中太陽能應(yīng)用技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在全世界蓬勃發(fā)展，使人們在能源危機的焦慮中，感到不少欣慰。而相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會能源的希望所在。其中到達地球的能量高達 X 1011kW,穿過大氣層到達地球表面的太陽輻射能大約為 。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源缺乏、枯竭的最有效途徑。 可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟性。 （三） 國內(nèi)外太 陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀 我國地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。 我國太陽能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時數(shù)大于 2200h，太陽輻射總量高于 50165852MJ/（ m2? a） ,面積約占全國總面積的 2/3以上。世界光伏產(chǎn)業(yè)從 1999年的 201MW增加到2020年的 1100MW。美國能源部制定了從 2020年 1月 1日開始的 5年國家光伏計劃和 2020～ 2030年的長期規(guī)劃 ,以實現(xiàn)美國能源、環(huán)境、社會發(fā)展和保持光伏產(chǎn)業(yè)世界領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略目標(biāo)。 其中印度近幾年發(fā)展迅速 ,居發(fā)展中國家領(lǐng)先地位 ,目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約10MW,累計安裝量 40～ 50MW。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不能到達的地區(qū)。 雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光伏產(chǎn)業(yè)還處于成長期。其概念設(shè)計原理系統(tǒng)如圖 ，整個系統(tǒng)由 4部分組成 :聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。對于定日鏡來說，如果入射光線在太陽方位角和高度角方向分別偏轉(zhuǎn) ? 角度時，定日鏡也需要各自在方位角和高度角方向偏轉(zhuǎn) ? /2角度。定日鏡采用視日運動軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié) 合的方式進行跟蹤，當(dāng)定日鏡和接收器表面最大距離為 300m時，其跟蹤誤差為 91m，跟蹤角度精度達到 19176。聚光電池陣列由若干聚光電池串并聯(lián)構(gòu)成，若干陣列的串并聯(lián)還可構(gòu)成不同規(guī)模的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。如果聚光倍率增加到幾十倍以上，聚光太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，一般應(yīng)大于 20%,且需耐高倍率的太陽輻射，特別是在較高溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能要得到保證，故在半導(dǎo)體材料選擇、電池結(jié)構(gòu)和柵線設(shè)計等方面都要進行一些特殊考慮。菲涅爾透鏡也是聚光電池模塊的主要部件，具有體積小、重量輕、加工方便、透光率高等特點。跟蹤過程當(dāng)中就是要確保太陽光線與透鏡的中軸線平行。 碟式系統(tǒng)也稱盤式系統(tǒng)。在焦點處放置陽光接收器，加熱工質(zhì)，驅(qū)動動力發(fā)電裝置發(fā)電 。 旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡一般有幾十塊鏡面組構(gòu)而成，用剛結(jié)構(gòu)環(huán)作支撐體，整個盤鏡通過太陽高度角和方位角齒輪傳動機構(gòu)安裝在鋼結(jié)構(gòu)機架上，通過雙軸跟蹤裝置控制即時跟蹤太陽。但是這種跟蹤方式算法復(fù)雜，成本高，對于小型碟式發(fā)電系統(tǒng)來說，可以考慮使用高精度傳感器跟蹤裝置來降低成本。 圖 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤） 圖 3種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸 (或 焦線 )東西向布置，根據(jù)事先計算的太陽方位的變化 ， 太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動跟蹤太陽。 (2)雙軸跟蹤又可以分為兩種方式 :極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。 圖 極軸式跟蹤 高度 角 方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖 。 圖 高度 方位角式全跟蹤 目前 ， 國外對于太陽光線自動跟蹤裝置 (或稱為太陽跟蹤器 )的研究有，美國 Blackace，在 1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器對 太陽能的熱接收率提高了 15%。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實現(xiàn)了單軸被動式太陽跟蹤。 不論是 單 軸跟蹤或 雙軸跟蹤，太陽跟蹤裝置可分為 ： 時鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置幾種。這 樣反射器就能全年和入射陽光相垂直，達到跟蹤太陽的目的。太陽的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對這種屬于被動式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時調(diào)整角度以對準(zhǔn)太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進行校正。首先計算出太陽的位置，然后求出每個反太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 9 射鏡要求的位置，再通過固定在兩個旋轉(zhuǎn)軸 (高度角和方位角跟蹤軸 )上的 13位增量式編碼器得到反射鏡的實際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實際上所處的位置進行比較，偏差信號用來驅(qū)動，使反射裝置對太陽運動進行跟蹤 I38)。為了取得太陽的偏移信號，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時角的跟蹤傳感器。 與此相類似的太陽跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。在容器的適當(dāng)位置裝有太陽能擋板，只有在裝置對準(zhǔn)太陽時，太陽輻射能才可等量地照射到兩個容器上。這種太陽跟蹤器在夜間能自動返回原來的位置。黑管內(nèi)充有低沸點的液體物質(zhì)，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時產(chǎn)生一定的飽和蒸汽壓，通過膠管驅(qū)動雙桿雙作用液壓缸運動，達到自動跟蹤目的。第二天早上日出東方，曬熱右側(cè)黑管，液壓缸帶動跟蹤器迅速做順時針轉(zhuǎn)動，重新對準(zhǔn)太陽集熱?？胤攀教柛櫻b置對太陽方位角進行單向跟蹤，操作時，在太陽能接受面板西側(cè)安放一偏重，作為太陽能接受面板向西轉(zhuǎn)動的動力，并利用控放式自動跟隨裝置對此動力的釋放加以控制，使鏡面隨著太陽的西偏而轉(zhuǎn)動。重力的控放由彈簧通過制動裝置和杠桿來實現(xiàn)。一但太陽西移，遮光板的陰影隨之移動，太陽能電池便受到陽光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā)出偏移信號。因多云天氣太陽被云層遮擋的時 (aJ較長，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動作?？胤攀礁櫰鬟m合于聚光型的集熱裝置，如聚光型熱水器、太陽灶等。 （ 5）光電式太陽跟蹤裝置。 圖 比較式太陽跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖 比較控制式太陽跟蹤裝置。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個方向上也分別布置 4只光電阻 。當(dāng)太陽光線以與傳感器板垂直的方向照射到 傳感器上，兩組光電阻 (PI， P3)， (P5， P7)接收到的光照度相同，比較電路的輸出值為零。當(dāng)太陽光偏離了一個較大的角度時 (陰雨天或者烏云過后 )，筒內(nèi)的傳感器可能接收不到太陽光，筒外 的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開始工作。但提高光敏電阻的阻值，使得相應(yīng)的供電電源的電壓要變大才能驅(qū)動跟蹤器，提高了能耗及其成本。假設(shè)圓筒內(nèi)部兩個光電阻同時直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為 A，如圖 ，即太陽光線的偏離角度在 A的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個光敏電阻不會出現(xiàn)照度差 。 圖 不同長度圓筒的太陽光偏離角度方位示意圖 圖 “多元法”太陽跟蹤裝置得傳感器結(jié)構(gòu) “多元法”太陽跟蹤裝置?！岸嘣ā碧柖ㄎ谎b置由 6個單方向定位裝置構(gòu)成，并且它們共用正中央的光敏電阻。隨著天體光學(xué)的發(fā)展，十九世紀(jì)中葉之后，相繼出現(xiàn)了折軸望遠(yuǎn)鏡、定日鏡、定天鏡等。另一類是定日式，它將太陽光反射到所設(shè)計的固定方向，太陽作周日視運動，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運動，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽赤緯相同，實現(xiàn)跟蹤?？刂撇捎霉狻C、電一體化技術(shù)，通過對太陽光強弱的檢測，實現(xiàn)對太陽的全自動跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。 （ 7）地平坐標(biāo)系跟蹤方法的應(yīng)用 國家太陽能檢測中心開發(fā)了一套太陽集熱器性能測試系統(tǒng)，其中就包括了太陽跟蹤器。集熱器固定在臺架平面上 。以步進電機 的步距角計算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動 1176。同步帶輪與絲杠的傳動比為 2:1，當(dāng)步進 電機轉(zhuǎn)動 1圈即360176。該裝置是檢測中心作試驗用的，試驗主程序流程如圖 所示。自動跟蹤子程序流程見 圖 。校正可以選擇任一天中 的幾個不同時刻進行，得到一組高度角和方位角的校太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 13 正系數(shù)，取其平均值。為本課題中主程序開始 跟蹤臺自動回零 實驗初始參數(shù)設(shè)置 試驗開始 ？ 自動跟蹤子程序 數(shù)據(jù)采集子程序 流量控制子程序 溫度控制子程序 數(shù)據(jù)處理子程序 試驗結(jié)束？ 主程序結(jié)束 N N Y Y 圖 試驗主流程圖 子程序開始 計算太陽當(dāng)前位置 跟蹤器當(dāng)前位置是否為零點？ 自動 調(diào)整跟蹤對準(zhǔn)太陽 跟蹤器自動快速指向太陽 是否已對準(zhǔn)太陽？ 子程序結(jié)束 圖 自動跟蹤子程序 Y Y N N 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 14 太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對太陽進行即時跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對太陽，從而提高吸收效率。 （二）跟蹤系統(tǒng)的組成 跟蹤系統(tǒng)主要構(gòu)成一般為：（ 1）太陽能采集裝置；（ 2）轉(zhuǎn)向機構(gòu)；（ 3）控制部分；（ 4）貯能裝置；（ 5）逆變器。 但是 太陽能電池本身容易破碎、易被腐蝕，若直接暴露在大氣的環(huán)境中，光電 轉(zhuǎn)化的效率就會由于環(huán)境潮濕、灰塵、酸雨等影響而下降，最后以至于破碎失效。 控制部分 轉(zhuǎn)向機構(gòu) 太陽能采集裝置 直流負(fù)載 交流負(fù)載 逆變器 貯能裝置 圖 跟蹤系統(tǒng)的基本構(gòu) 成 控制器 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 15 由于本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)要求最大限度的利用太陽能，因此必須要研制一套機構(gòu)用來跟蹤太陽的實時位置。 在轉(zhuǎn)向機構(gòu)的組成中，底座主要由普通的鋼材加工而成，便于拆卸和移動。并且，太陽的角度控制要求精確，要合理的選取渦輪蝸桿減速機構(gòu)的傳動比，在系統(tǒng)設(shè)計中選用的傳動比為 50:1即可達到要求。在本系統(tǒng)中使用的時間芯片是 8563，用來進行時間的控制。本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分選用的 AT89C51單片機。 在本光伏發(fā)電系統(tǒng)中考慮使用的蓄電池可以選用鉛酸蓄電池和堿性蓄電池。 本系統(tǒng)能對太陽能量加以吸收和轉(zhuǎn)化，并將其產(chǎn)生的電能貯存起來，但是因為鉛酸蓄電池提供的是直流電，不能直接給交流用電器供電，普通的用電器的電壓為 220V交流電，因此必須 采用逆變器將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為普通用電器可以使用的交流電。 通過逆變器產(chǎn)生的交流電，就可以廣泛應(yīng)用于普通的交流用電器。 蓄電池充電控制通常是由控制電壓或分并聯(lián)調(diào)節(jié)器、串聯(lián)調(diào)節(jié)器，齊納二級管（硅穩(wěn)壓管），次級方陣開關(guān)調(diào)節(jié)器控制電流來完成的。所用開關(guān)器件，可以是繼電器，也可是MOS晶體管。 （三） 太陽照射規(guī)律 眾所周知 ，地球每天為圍繞通過它本身南極和北極的“地軸”自西向東自轉(zhuǎn)一周。 27180。 每年的春分日 (3月 12日 )，太陽從赤道以南到達赤道 (太陽的赤緯占 ? =0176。 ? (? 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭?度 )。 27180。 )，地球北半球的天文秋季開始。 ? 23176。 （ 1） Coper方程 太陽光線與地球赤道面的交角就是太陽的赤緯角，以占表示。夏天最大變化到夏至日的 +23176。.太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照 Coper方程， 由式 (41)計算 ? =(360? 365284n? ) () 式中， n為一年中的天數(shù)，如 :在春分， n=81，則δ =0，自春分日起的第 d天的太陽赤緯為 : ? =? () （ 2）太陽角的計算 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 17 如圖 ，指向太陽的向量 S? 與天頂 Z的夾角定義為天頂角，用 ? Z 表示；向量 S? 與地平面的夾角定義為太陽高度角，用 h表示； S? 在地面上的投影線與南北方向線之間的夾角 為太陽方位角，用 ? 表示。 正午時 ， ? =0， cos? =1， ()式可以簡化為： sinh=sin? sin? +cos? cos? =cos(? ? ) 因為， cos（ ? ? ） =sin[90