【正文】 ............................................................................... 44 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 II （四）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動芯片的選型 ..................................................................................... 46 （五）整體電路圖的設(shè)計 ................................................................................................ 49 （六）本章小結(jié) ........................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 （二）翻譯 ..................................................................................................................... 60 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(jìn)行每小時一次的角度改變，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(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(dú)特的優(yōu)勢在全世界蓬勃發(fā)展，使人們在能源危機(jī)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(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。 可以從兩個方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)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 20xx年的 1100MW。美國能源部制定了從 20xx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)不太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 6 能到達(dá)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(yùn)動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，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(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跟蹤太陽。但是這種跟蹤方式算法復(fù)雜，成本高，太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 10 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，而南北太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 12 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(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(jìn)行校正。首先計算出太陽的位置，然后求出每個反射鏡要求的位置，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(jìn)行比較，偏差信號用來驅(qū)動 機(jī)，使反射裝置對太陽運(yùn)動進(jìn)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(diǎn)的液體太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 14 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(yùn)動，達(dá)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(jìn)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太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 15 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。 太陽實際位置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 集熱裝置 光敏傳感器 + 集熱裝置實驗位置 圖 光電式太陽跟蹤裝置原理 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 16 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 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 18 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(yùn)動，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運(yùn)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。控制采用光、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過對太陽光強(qiáng)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(jìn)電機(jī) 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(jìn)電 機(jī)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 。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(jìn)行，得到一組高度角和方位角的校正系數(shù)，取其平均值。為本課題中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(jìn)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(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。 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)用來跟蹤太陽的實時位置。 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。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)的傳動比，在系統(tǒng)設(shè)計中選用的傳動比為 50:1即可 達(dá)到要求。在本系統(tǒng)中使用的時間芯片是 8563，用來進(jìn)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(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(dá)赤道 (太陽的赤緯占 ? =0176。 ? (? 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?)。 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? 365284 n? ) () 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 : 太陽能電池板照射角自動跟蹤系統(tǒng)設(shè)計 28 ? =? () （ 2） 太陽角的計算 如圖 ，指向太陽的向量 S? 與天頂 Z的夾角定義為天頂角，用 ?