【正文】 但是步進電機也有較大的缺點：步進電機輸出力矩小且昂貴，會使得整個系統(tǒng)的性價比下降。 由上一小節(jié)知，光敏電阻將陽光強度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚档淖兓?，信號處理電路處理的是電阻的變化。當轉(zhuǎn)動到一定的精度范圍內(nèi)，太陽偏離不太遠時，與 G4 并聯(lián)的 G2（暗筒屏蔽了環(huán)境散射光干擾）開始起主導(dǎo)作用，使暗筒精確對準太陽。 該跟蹤平臺跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計考慮了經(jīng)濟性問題，在保證工作性能的同時大大降低了成本提高了性價比。在大自然中可能出現(xiàn)：①太陽的由東向西的運動（相對地球）。該機構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 結(jié)構(gòu)簡單，制作費用低，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。實踐表明，一般平板光伏電池采用跟蹤裝置后，平均輸出能量可提高 30%以上。 c)有時受電壓 、電流的突變影響，會發(fā)生程序在運行中的失序（“誤判”）現(xiàn)象。最大功率點跟蹤控制具體到 P/V特性曲線上，就是使光伏電池端電壓始終處于 VM 附近 [10]。比如在 CPC 反光板的的高度被截去 40%，而聚焦比只不過減少了 12%左右，所以可以對 CPC 聚光器進行截短 40%～60%，使高度 h 變成 h39。齒棱越窄，焦斑區(qū)域的面積就越小 ，菲涅爾聚光器的精度就越高。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤太陽，至多只需要根據(jù)季節(jié)變化作少量傾斜度的調(diào)整。由于實際的陽光并非平行光，所以陽光經(jīng)拋物面鏡聚焦后，不可能會聚在一點，而是形成一個焦斑區(qū)域。對于一個給定的功率輸出，電池的轉(zhuǎn) 換效率決定了所需的電池板的數(shù)量，所以電池達到盡可能高的轉(zhuǎn)換效率是極其重要的。 圖 24 光伏電池的 IV和 PV特性曲線 可以看出，此 IV 曲線具有高度的非線性特征，這樣就存在一個最大功率輸出問題，在第四章中將對 此問題進行研究。這與傳統(tǒng)的發(fā)電方式是完全不同的：既沒有旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動部分，也不排出氣體，是清潔的、無噪聲的發(fā)電機。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 第二章 光伏電池的研究與分析 光伏電池的原理 光伏電池是利用半導(dǎo)體材料的電子特性把陽光直接轉(zhuǎn)換成電能的一種固態(tài)器件。北京申辦 20xx 年奧運成功，提出了 “ 綠色奧運、 人文奧運、科技奧運”的指導(dǎo)思想。澳大利亞一家名為 Integral Energy 的公司己開始銷售適合于家庭和辦公樓使用的、可與大電網(wǎng)聯(lián)接的太陽能 成套設(shè)備。 因此，采用新能源和 可再生能源以逐漸減少和替代化石能源的使用，是保護生態(tài)環(huán)境、走經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展之路的重大措施。由于太陽在天空中的位置是不斷變化的，為此本文采用了自動跟蹤系統(tǒng) 。 ，就近供電，不必長距離輸送，因而避免了輸電線路等電能 損失。 1999 年世界光 伏電 池總產(chǎn)量為 202MW， 20xx 年增為 375MW，隨著美國 “ 百萬個太陽屋頂計 劃”、“歐洲可再生能源白皮書”和“日本新陽光計劃”的實施，到 20xx 年世 界光伏電池容量將達 20xx0MW。光伏電池產(chǎn)生的電流通過 DC/DC 變換裝置可以直接供 給各種直流負載，同時為儲能裝置充電。例如，當光照射到由 P 型和 N 型兩種不同導(dǎo)電類型的同質(zhì)半導(dǎo)體材料構(gòu)成的 PN 結(jié)上時，在一定條件下，光能被半導(dǎo)體吸收后，在導(dǎo)帶和價帶中產(chǎn)生非平衡載流子 — 電子和空穴。 e x p 1Lo qVI I I n K T????? ? ????????? (21) 其中 I 為電池單元輸出電流； IL 為 PN 結(jié)電流（ A）； IO 為二極管的反向飽和電流（ A）； V 為外加電壓（ V）； q 是單位電荷 （ 10 19? k 庫侖）； K 是玻耳茲曼常數(shù)（ 10 23? J/K）； T 是絕對溫度（ K）； n 為二極管指數(shù) [5]。 （ VM）：在給定日照和溫度下相應(yīng) 于最大功率點的電壓。 圖 27 不同溫度下的光伏特性 （ a）光伏電池的伏安曲線；（ b）光伏電池的功率電壓曲線 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 第三章 光伏發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的研究與設(shè)計 太陽能聚光器的工作原理：利用光學(xué)系統(tǒng)（反射或折射器）使較大面積的入射光聚集在較小面積上，提高單位面積上的入射光強度。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 圖 33槽形拋物面反射鏡局部光路分析圖 由 32 式可知，接收器的直徑的大小是由聚光比決定的。也就是說，如果拋物鏡是理想的，投射在 CPC 開口上的在 177。而且它在使用過程中還存在著反射層易脫落、隨時間推移性能明顯下降的問題。根據(jù)最大聚焦比的計算公式，作截斷之后，最大半接收角 θa 與 CPC 截斷聚焦比 C 之間的關(guān)系如圖 38 所示。此方法的優(yōu)點為原理簡單，易于實現(xiàn)，但是這種方法忽略了溫度對陣列開路電壓的影響，在溫差較大的場所使用效果不佳。 電導(dǎo)增量法的優(yōu)點是當太陽能電池的照度發(fā)生變化時，其輸出端 電壓能以較快的方式追隨其變化，電壓波動較擾動法??；缺點是它容易受到雜波信號的干擾而造成較大的誤動作，并且跟蹤算法比較復(fù)雜，必須逐次調(diào)整以趨近于最大功率點，而無法很快調(diào)整至最大功率點，并且在跟蹤的過程中需花費相當多的時間去執(zhí)行 A/D 轉(zhuǎn)換。利用控放裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運動。其優(yōu)點在于控制較精確，而電路也比較容易實現(xiàn)。 早上的復(fù)位工作可以用機械裝置來完成，但是該方法成本較高，如果采用傳感控制電路來控制跟蹤平臺完成復(fù)位，成本就不會增多。在理論上，跟蹤器應(yīng)對精度范圍內(nèi)光線的任何變化都能做出反應(yīng)。通過設(shè)置復(fù)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 精度探測單元，使跟蹤平臺既能大范圍的搜索太陽（粗跟蹤），又能對太陽進行精確跟蹤，完全滿足太陽光線復(fù)雜多變的要求，實現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤，這一技術(shù)是整個跟蹤平臺的核心。比較器的基本電路如圖 55 所示，參考電壓 VR 加于比較器的反相端，輸入信號電壓 Vi 加于比較器的同相端。在剛接通電源時，電機還沒有轉(zhuǎn)起來，它的速度反電勢為零，因此流過電樞的電流很大，這就要求起控制作用的電子管能通過較大的瞬時電流以保證快速起動；而在突然斷電時，電樞繞組的電感又將感應(yīng)出較高的電壓，這就要求管 子有較高的耐壓，或者采取有效的保護措施，以免造成擊穿。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。 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。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。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。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。 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。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。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。 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。 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。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。其它形狀的接收器，可以根據(jù)相同的原理進行分析 [8]。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 26 是溫度不變時，不同日照強度下的光伏電池的特性曲線。本節(jié)將著重探討前兩種特性及其相關(guān)參數(shù)。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。 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。 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。 ，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。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。全世界對能源的消耗在 1970 年約為 83 億噸標準煤，而在 1995 年，這種消耗達到了 140 億噸標準煤，即25 年間增長了 %，并預(yù)計，到 2020 年全世界對能源的消耗會達到 195 億噸標準煤。一個 4KW 的屋頂家用光伏系統(tǒng)，可以滿足普通 美國家庭用電需要，每年少排放的二氧化碳 數(shù)量，相當于一輛家庭轎車每年的排放量。通過在人口相對集中的地區(qū)建立設(shè)備容量 100kVA 以下的獨立光伏電站，解決鄉(xiāng)村一級基本生產(chǎn)、 辦公、生活用電需要是提高用電普及率的有效途徑； 同時獨立光伏電站還可為小 型農(nóng)場、畜牧養(yǎng)殖中心提供電源，有利于提離當?shù)貎?nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 的農(nóng)牧業(yè)機械化、自動化水平。 圖 獨立光伏發(fā)電的跟蹤系統(tǒng)主要部分如圖 11 中 A 點左側(cè)所示，主要包括聚 光器，對太陽的跟蹤，最大功率點的跟蹤，以及對蓄電池沖放電的控制。顯然，光伏電池之所以能在光照下形成短路電流 Isc，開路電壓 Voc，都是由于材料內(nèi)部存在內(nèi)建靜電場的緣故。而光譜特性主要研究光伏電池與入射光譜的關(guān)系，所以本文不對其進行討論。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 太陽的光照強度對光伏電池轉(zhuǎn)換效率的影響 圖 25 中的伏安特性曲線是在一定的光照強度和環(huán)境溫度下得到的，在實際運用中，光伏電池的開路電壓和短路電流都會隨著兩者的變化而變化。聚光比 C 的定義為：聚光器口徑面積 A? 和接收器吸收面積 A 吸 之比值。所以，通過求出 35 式右邊函數(shù)的最大值，得到： 22 sin16Bdf f ????????? （ 36） 將上式帶入 32 式，求得理想情況下槽形拋物面聚光器幾何聚光比 C 的計算式為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 2107 .316BCBff?? ??????? （ 37） 以上是當接收器為圓管時得到的結(jié)果。 圖 35菲涅爾透鏡聚光方式 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計說明書 折射式菲涅爾聚光器的工作原理相對反射式的聚光器來說較簡單。因為這一優(yōu)點，現(xiàn)在國際上也在集中發(fā)展薄型菲涅爾聚光器。使用聚光器后使光伏電池的轉(zhuǎn)換率由原來的 10%～ 14%提高到 20%～ 38%。 擾動法 擾動法主要根據(jù)光伏電池的 PV 特性，通過擾動端電壓來尋找 MPP，是目前實現(xiàn)MPPT 常用的方法之一。通過不斷擾動使陣列工作于最大功率點附近。其特點是電路簡單，但由于時鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低；系統(tǒng)需外接電源，日夜不停的運轉(zhuǎn)，浪費能源。 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?。設(shè)計跟蹤平臺的時候要考慮到以上要求。在上面章節(jié)中，已經(jīng)討論了復(fù)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。 不同的光敏元件對光線變化做出的反應(yīng)是不同的，相應(yīng)的信號處理電路也要根據(jù)元件本身的性能進行設(shè)計，所以光敏元件的選擇是信號處理控制單元設(shè)計工作的第一步。 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。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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。 VDD 和 Vss（值為 0）為比較器的正、 負電源。探測單元的結(jié)構(gòu)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。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(yīng)，跟蹤精度大大降低。這樣就要求跟蹤平臺的傳感探測單元能夠在早上反應(yīng)出太陽光線的大范圍變化，快速復(fù)位。但是這類跟蹤器價格昂貴，且不能適應(yīng)自然 界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。該機構(gòu)成本低廉，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。 圖 44 電導(dǎo)增量法的流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)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(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍受到很大的限制。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。