【正文】 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。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]。 信號處理與控制單元 根據(jù)前面 的設計，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。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，經過處理后驅動電機使跟 蹤平臺向東轉動。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。 自適應的含義：該平臺在安裝后就開始 自動工作，不需手動調整，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。③多云天氣、陰雨天氣。 2）大自然中大氣情況是復雜多變的，真正的高精度跟蹤，對跟蹤平臺的要求非常高。 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。根據(jù)密閉容器內所裝介質的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。但是該跟蹤器容易產生過跟蹤的情況，只能用于單軸跟蹤，精度低。顯然，在現(xiàn)有的技術下要降低光伏發(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。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。 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。 為克服溫度變化給系統(tǒng)帶來的影響，可以在此基礎上加以改進： a）對給定的 VM通過電位器手動按季節(jié)調節(jié)。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。 根據(jù)以上模型，結合文獻 [11]的公式計算分析，截斷角 θD可選取在 55176。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，而光學效率并不會降低很多。而且就復合拋物面聚光器本身來說，其結構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。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。 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 減小會導致一年之中調整 CPC 的次數(shù)增加。復合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設在底部的接收器構成。 ； 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。 圖 31 聚光比與聚焦中心可能達到的最高溫度的關系 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 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。雖然太陽光經過會聚之后會造成一定的光學損失，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。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，電池的轉換效率會隨光強的增加而增加。 ： 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。如圖 24 所示 [6]。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。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，就構成了“太陽能發(fā)電機（ Solar Generator）”。由于光照產生的非平衡載流子各向相反方向漂移，從而在內部構 成自 N 區(qū)流向 P 區(qū)的光生電流，在 PN 結短路情況下構成短路電流 Isc。 運行方式。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。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。 在我國，隨著國民經濟的穩(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想己經逐步成為現(xiàn)實。 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。 ，維護簡單。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)。對目前跟蹤器存在的問題進行了分析，提出了新型自適應復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。介紹了目前國內太陽跟蹤器的發(fā)展現(xiàn)狀，各類跟蹤器的性能特點。 我國擁有居世界第一位的水能資源，居世界第二位的煤炭探明儲量，居世界第 11 位的石油探明可采儲量。 ，運行成本很小。隨著全球性的自然資源過度開發(fā)與消耗，環(huán)境的污染和破壞， 1992 年聯(lián)合國召開了環(huán)境與發(fā)展 “ 世界首腦會議 ”， 通過了 《 里約宣言 》 和 《 21 世紀議程》，走可持續(xù)發(fā)展道路成為各國長期共同的發(fā)展戰(zhàn)略，發(fā)展新能源 和可再生能源己成為非常緊迫的任務，特別是光伏發(fā)電更受到各國政府的重視，美國政府最早制定光伏發(fā)電的發(fā)展規(guī)劃， 1997 年又提出 “ 百萬屋頂 ” 計劃，能源 部和有關州政府制定了光伏發(fā)電的財政補貼政策，總光伏安裝量己達到 3000MW 以上，美國連續(xù) 3 年光伏產業(yè)均以高于 30%的年增內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 長率上升，其主要 原因是光伏 組件并網(wǎng)應用和政策激勵引起的； 瑞士、法國、意大利、西班牙、芬蘭等國，也 紛紛制定光伏發(fā)展計劃，并投巨資進行技術開發(fā)和加速工業(yè)化進程， 1990 年德國 提出 1000 屋頂發(fā)電計劃， 1998 年進一步提出 10 萬屋頂計劃。目前全球 20 億無電人口將從中得益 [3]。旨在解決西部地區(qū)無電鄉(xiāng)的基本生活用電問題。儲能裝置一般采 用蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池。 ，最大效率的利用太陽光的輻射，設計了兩套自動跟蹤平臺，使光伏電池始終跟蹤太陽光的方向。由于 PN 結勢壘區(qū)存在著較強的內建靜電場，因而產生在勢壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產生在勢壘區(qū)外但擴散進勢壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內建靜電場的作用下，各向相反方向運動，離開勢壘區(qū)，結果使 P 區(qū)電勢升高， N 區(qū)電勢降低， PN 結兩端形成生電動勢，這就是 PN 結的光伏效應。電池單元是光電轉換的最小單元，一般不單獨作為電源使用。 但是在實際的光伏電池中，由于電池表面和背面的電極和接觸，以及材料本身具有一定的電阻率，流經負載的電流經過它們時，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個串聯(lián)電阻 RS來表示；同時，由于電池邊沿的漏電，在電池的微裂痕、劃痕等處形成的金屬橋漏電等，使一部分本該通過負載的電流短路，這種 作用可用一個并聯(lián)電阻 RSh 來等效表示。對應不同的光照強度時，電池有不同的輸出特性曲線，曲線上任何一點都可以作為工作點，工作點所對應的縱和橫坐標分別為工作電流和工作電壓，兩者之積即為電池的輸出功率 P，即 P=VI。 （ PM）：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。在實驗中也發(fā)現(xiàn)，當早晨光線不強和中午烈日當空時，所測量的開路電壓相差不大；而天空光線極差時，開路電壓會直線下降，幾乎為 0。對于給定的總能量，聚集在較小的面積上意味著較小的熱量損失。圖 31 表示聚光器聚光比 C 和聚焦中心可能達到的最高溫度 Tmax 之間的關系。如圖 33，與聚光比關系推導如下： 2 sind R a? （ 33） 式中 a 為太陽張角的半角，具體的角度為 16176。但是跟蹤裝置開發(fā)困難、制造成本較高，這使得人們轉向尋找一種不用跟蹤裝置的聚光器。 θmax 之間的輻射都會被會聚到接收器上。由 39 式可知，齒棱離中心距離越遠，棱角Φ的數(shù)值就越大。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 復合拋物面聚光器省去了跟蹤裝置，最多只需對聚光器進行季節(jié)性角度調整，降低了整個系統(tǒng)的成本，但是對聚光器進行調整使得系統(tǒng)方便性有所降低。 CPC 聚光器的實際應用設計 從理論上講，增大 CPC 聚光器的開口面積，其聚光比 C 也越大，但同時高度也跟著增大，在制造時消耗較多材料，這從大規(guī)模太陽能應用的經濟角度來看是一個比較重要的問題。從圖中可以看出，截斷聚焦比 C 隨最大半接收角 θa 增大而減小的趨勢較為平緩。就某一條曲線而言，光伏電池的端電壓變化時，其工作點也會沿著曲線變化。采用電壓反饋法控制的比不帶 MPPT 的直接耦合工作方式可獲得多至 20%的電能。但仍有下列缺點： a)始終有△ U 的存在，其輸出會有一定的微小波動，在最大功率跟蹤過程中將導致些微功率損失。 圖 44 電導增量法的流程圖 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 最大功率點控制方法的選擇及改進 — 斷續(xù)擾動法 如前面所述，電壓反饋法雖然簡單無擾動，但不能對最大功率點電壓 VM 參考值進行自動調節(jié)，應用范圍受到很大的限制。 內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 第五章 自動跟蹤系統(tǒng) 太陽在一天中東出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定。該機構成本低廉，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。 1）壓差式跟蹤器 壓差式跟蹤器的基本結構如圖 52 所示，其原理為：當入射太陽光發(fā)生偏斜時，密閉容器的兩側受光面積不同，會產生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對準太陽。但是這類跟蹤器價格昂貴，且不能適應自然 界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。如何在保證跟蹤效果基礎上盡量的降低成本，是本課題組重點研究的問題之一。這樣就要求跟蹤平臺的傳感探測單元能夠在早上反應出太陽光線的大范圍變化，快速復位。通過采用復精度探測單元，滿足太陽復雜多變的照射情況要求，實現(xiàn)自適應跟蹤，這是本系統(tǒng)的核心技術。但是在現(xiàn)實情況中，如果光敏元件沒有受到適當?shù)谋Ｗo，在很大程度上就會受到環(huán)境散射光的影響，跟蹤器只能對太陽光線較大的變化 做出反應，跟蹤精度大大降低。 圖 54 傳感器結構示意圖 自適應復精度太陽位置探測單元的工作原理：以東西方向（即方位角）為例，假設太陽的高度角是不變的，即假設暗筒在高度方向始終對準太陽。探測單元的結構簡單，只是多加了一些廉價的電子元件，跟蹤平臺的性價比較高。用光敏電阻實現(xiàn)信號采集時，其輸出信號只與照射在兩個光敏電阻上光強的相對值有關，不受外界環(huán)境的影響，增加了裝置的抗干擾能力。 VDD 和 Vss（值為 0）為比較器的正、 負電源。當兩個光敏電阻受到的照度不同時，輸入電壓 Vi會發(fā)生改變，隨著照度差的增加， Vi逐漸超過了 VREF(H)∶ VREF(L)這一范圍，此時窗口電路會輸出一個信號驅動跟蹤平臺轉動，實現(xiàn)對太陽的跟蹤。除此之外，還要求加到電樞兩端的電壓能夠根據(jù)需要改變極性以實現(xiàn)正轉和反轉。在滿足性能要求的情況下，本方案選擇性價比較高的直流電機。 圖 57 單組窗口比較電路圖 單組窗口比較電路工作原理：當 Vi在 VREF(H)和 VREF(L)之間時，比較器 A 與 B 皆輸出高電平，與非門輸出低電平。針對這些要求，本課題專門設計了相應的信號處理電路。 不同的光敏元件對光線變化做出的反應是不同的，相應的信號處理電路也要根據(jù)元件本身的性能進行設計，所以光敏元件的選擇是信號處理控制單元設計工作的第一步。高度角的跟蹤基本原理及工作方式與之類似，在此省略。在上面章節(jié)中，已經討論了復雜多變的大氣對跟蹤平臺提出的要求，現(xiàn)有的跟蹤器是無法完全滿足這些要求的。 圖 53 跟蹤平臺系統(tǒng)圖 本平臺的工作原理是：在日光下，平臺的自適應復精度探測單元自動搜索太陽的位置，系統(tǒng)自動將太陽方位與平臺所正對著的方位進行比較，當兩者不一 致時，探測單元內蒙古科技大學畢業(yè)設計說明書 發(fā)出信號，信號經放大處理傳至控制單元控制普通直流電機，驅動平臺跟蹤太陽；粗跟蹤找到太陽的大致方位后，精跟蹤自動對太陽進行精確定位，驅動平臺運行至精確對準太陽為止。設計跟蹤平臺的時候要考慮到以上要求。②晝夜更替。 被動式跟蹤系統(tǒng)不受地理位置的限制，跟蹤精度較高，具有很大的發(fā)展?jié)摿Α? 圖 52 壓差式跟蹤 器工作原理圖 2）光敏元件比較式跟蹤器