【正文】 ........................................... 35 （一）原文 ..................................................................................................................... 35 （二）翻譯 ..................................................................................................................... 39 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(huì)越來越受到人們的重視。 目前本設(shè)計(jì)僅通過簡(jiǎn)單的計(jì)算公式得到的數(shù)據(jù)，對(duì)東西向進(jìn)行每小時(shí)一次的角度改變，南北向進(jìn)行每天一次的角度改變，再通過單片機(jī)的判斷 進(jìn)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(guó)際組織己召開多次會(huì)議，限制各國(guó) COZ等溫室氣體的排放量。占人們能源消費(fèi)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(huì)的估計(jì)可維持到 21世紀(jì) 30年代中期，核聚變?cè)?2050年前沒有實(shí)現(xiàn)的希望。其中太陽能應(yīng)用技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在全世界蓬勃發(fā)展，使人們?cè)谀茉次C(jī)的焦慮中，感到不少欣慰。而相對(duì)于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會(huì)能源的希望所在。其中到達(dá)地球的能量高達(dá) X 1011kW,穿過大氣層到達(dá)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(gè)方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。 （三） 國(guó)內(nèi)外太 陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀 我國(guó)地處北半球歐亞大陸的東部，土地遼闊，幅員廣大。 我國(guó)太陽能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于 2200h，太陽輻射總量高于 50165852MJ/（ m2? a） ,面積約占全國(guó)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(guó)能源部制定了從 2020年 1月 1日開始的 5年國(guó)家光伏計(jì)劃和 2020～ 2030年的長(zhǎng)期規(guī)劃 ,以實(shí)現(xiàn)美國(guó)能源、環(huán)境、社會(huì)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(guó)家領(lǐng)先地位 ,目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約10MW,累計(jì)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(dá)的地區(qū)。 雖然我國(guó)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(zhǎng)期。其概念設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)如圖 ，整個(gè)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(duì)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(shí)，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(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié) 合的方式進(jìn)行跟蹤，當(dāng)定日鏡和接收器表面最大距離為 300m時(shí)，其跟蹤誤差為 91m，跟蹤角度精度達(dá)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(jì)等方面都要進(jìn)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(diǎn)。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(diǎn)處放置陽光接收器，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)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(gè)盤鏡通過太陽高度角和方位角齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架上，通過雙軸跟蹤裝置控制即時(shí)跟蹤太陽。但是這種跟蹤方式算法復(fù)雜，成本高，對(duì)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(jì)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(dòng)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(guó)外對(duì)于太陽光線自動(dòng)跟蹤裝置 (或稱為太陽跟蹤器 )的研究有，美國(guó) Blackace，在 1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器對(duì) 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(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)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(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)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(dá)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(duì)這種屬于被動(dòng)式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時(shí)調(diào)整角度以對(duì)準(zhǔn)太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進(jìn)行校正。首先計(jì)算出太陽的位置，然后求出每個(gè)反太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 射鏡要求的位置，再通過固定在兩個(gè)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(shí)際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實(shí)際上所處的位置進(jìn)行比較，偏差信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)，使反射裝置對(duì)太陽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤 I38)。為了取得太陽的偏移信號(hào)，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)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(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，太陽輻射能才可等量地照射到兩個(gè)容器上。這種太陽跟蹤器在夜間能自動(dòng)返回原來的位置。黑管內(nèi)充有低沸點(diǎn)的液體物質(zhì)，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時(shí)產(chǎn)生一定的飽和蒸汽壓，通過膠管驅(qū)動(dòng)雙桿雙作用液壓缸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)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(dòng)跟蹤器迅速做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，重新對(duì)準(zhǔn)太陽集熱?？胤攀教柛櫻b置對(duì)太陽方位角進(jìn)行單向跟蹤，操作時(shí)，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(dòng)的動(dòng)力，并利用控放式自動(dòng)跟隨裝置對(duì)此動(dòng)力的釋放加以控制，使鏡面隨著太陽的西偏而轉(zhuǎn)動(dòng)。重力的控放由彈簧通過制動(dòng)裝置和杠桿來實(shí)現(xiàn)。一但太陽西移，遮光板的陰影隨之移動(dòng)，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(hào)。因多云天氣太陽被云層遮擋的時(shí) (aJ較長(zhǎng)，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動(dòng)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(gè)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(gè)較大的角度時(shí) (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(hào)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(dòng)跟蹤器，提高了能耗及其成本。假設(shè)圓筒內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻同時(shí)直接受到太陽光照射的情況下，長(zhǎng)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(zhǎng)圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差 。 圖 不同長(zhǎng)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(gè)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(jì)的固定方向，太陽作周日視運(yùn)動(dòng)，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運(yùn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)跟蹤?？刂撇捎霉?、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過對(duì)太陽光強(qiáng)弱的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的全自動(dòng)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(guó)家太陽能檢測(cè)中心開發(fā)了一套太陽集熱器性能測(cè)試系統(tǒng)，其中就包括了太陽跟蹤器。集熱器固定在臺(tái)架平面上 。以步進(jìn)電機(jī) 的步距角計(jì)算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。同步帶輪與絲杠的傳動(dòng)比為 2:1，當(dāng)步進(jìn) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 1圈即360176。該裝置是檢測(cè)中心作試驗(yàn)用的，試驗(yàn)主程序流程如圖 所示。自動(dòng)跟蹤子程序流程見 圖 。校正可以選擇任一天中 的幾個(gè)不同時(shí)刻進(jìn)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 正系數(shù)，取其平均值。為本課題中主程序開始 跟蹤臺(tái)自動(dòng)回零 實(shí)驗(yàn)初始參數(shù)設(shè)置 試驗(yàn)開始 ？ 自動(dòng)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(yàn)結(jié)束？ 主程序結(jié)束 N N Y Y 圖 試驗(yàn)主流程圖 子程序開始 計(jì)算太陽當(dāng)前位置 跟蹤器當(dāng)前位置是否為零點(diǎn)？ 自動(dòng) 調(diào)整跟蹤對(duì)準(zhǔn)太陽 跟蹤器自動(dòng)快速指向太陽 是否已對(duì)準(zhǔn)太陽？ 子程序結(jié)束 圖 自動(dòng)跟蹤子程序 Y Y N N 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 太陽能自動(dòng)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(duì)太陽進(jìn)行即時(shí)跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對(duì)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(jī)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(huì)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(jī)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(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(jī)構(gòu)用來跟蹤太陽的實(shí)時(shí)位置。 在轉(zhuǎn)向機(jī)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(dòng)。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(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用的傳動(dòng)比為 50:1即可達(dá)到要求。在本系統(tǒng)中使用的時(shí)間芯片是 8563，用來進(jìn)行時(shí)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(jī)。 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(duì)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?yàn)殂U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(jí)管（硅穩(wěn)壓管），次級(jí)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(dá)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(jì)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(jì)算 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(shí) ， ? =0， cos? =1， ()式可以簡(jiǎn)化為： sinh=sin? sin? +cos? cos? =cos(? ? ) 因?yàn)椋?cos（ ? ? ） =sin[90