【正文】 從圖中可以看出，截?cái)嗑劢贡?C 隨最大半接收角 θa 增大而減小的趨勢(shì)較為平緩。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 復(fù)合拋物面聚光器省去了跟蹤裝置，最多只需對(duì)聚光器進(jìn)行季節(jié)性角度調(diào)整，降低了整個(gè)系統(tǒng)的成本，但是對(duì)聚光器進(jìn)行調(diào)整使得系統(tǒng)方便性有所降低。 θmax 之間的輻射都會(huì)被會(huì)聚到接收器上。如圖 33，與聚光比關(guān)系推導(dǎo)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。對(duì)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。 （ PM）：在給定日照和溫度下光伏電池可能輸出的最大功率。 但是在實(shí)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(jīng)負(fù)載的電流經(jīng)過它們時(shí)，必然引起損耗，在等效電路中可將它們的總效果用一個(gè)串聯(lián)電阻 RS來表示；同時(shí)，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(fù)載的電流短路，這種 作用可用一個(gè)并聯(lián)電阻 RSh 來等效表示。由于 PN 結(jié)勢(shì)壘區(qū)存在著較強(qiáng)的內(nèi)建靜電場(chǎng)，因而產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)中的非平衡電子和空穴，或者產(chǎn)生在勢(shì)壘區(qū)外但擴(kuò)散進(jìn)勢(shì)壘區(qū)的非平衡電子和空穴，在內(nèi)建靜電場(chǎng)的作用下，各向相反方向運(yùn)動(dòng)，離開勢(shì)壘區(qū)，結(jié)果使 P 區(qū)電勢(shì)升高， N 區(qū)電勢(shì)降低， PN 結(jié)兩端形成生電動(dòng)勢(shì)，這就是 PN 結(jié)的光伏效應(yīng)。儲(chǔ)能裝置一般采 用蓄電池，尤其是鉛酸蓄電池。目前全球 20 億無電人口將從中得益 [3]。 ，運(yùn)行成本很小。介紹了目前國內(nèi)太陽跟蹤器的發(fā)展現(xiàn)狀，各類跟蹤器的性能特點(diǎn)。但由于我國人口眾多，人均能源資源嚴(yán)重不足，而我國現(xiàn)在所面臨的卻是能源需求量成倍增長(zhǎng)的嚴(yán)重挑戰(zhàn)。 1999 年德國光伏上網(wǎng) 電價(jià)為每千瓦時(shí) 馬克，極大地刺激了德國乃至世界的光伏市場(chǎng) ； 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(jì)劃。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(shè)。 運(yùn)行方式。將每個(gè)單元進(jìn)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(jìn)行串、并聯(lián)后形成光伏電池陣列，就構(gòu)成了“太陽能發(fā)電機(jī)（ Solar Generator）”。如圖 24 所示 [6]。而短路電流是隨光強(qiáng)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(zhuǎn)換效率會(huì)隨光強(qiáng)的增加而增加。 圖 31 聚光比與聚焦中心可能達(dá)到的最高溫度的關(guān)系 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)都已證明拋物面反射鏡是能將平行于鏡面光軸的光線會(huì)聚于焦點(diǎn)的鏡面。復(fù)合拋物面聚光器，是由二片槽形拋物面反射鏡以及裝設(shè)在底部的接收器構(gòu)成。因?yàn)閷?shí)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(huì)聚在一點(diǎn)，而是一個(gè)焦斑區(qū)域。由于拋物線末端曲率小，反射作用不大，所以對(duì)完整的 CPC 反光板進(jìn)行截?cái)嗵幚?，可以?jié)省反光板材料，而光學(xué)效率并不會(huì)降低很多。因此使光伏電池工作于最大功率點(diǎn)上是一個(gè)提高效率的重要途徑，進(jìn)行最大功率點(diǎn)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。 b)當(dāng)環(huán)境條件快速變化時(shí)，會(huì)造成跟蹤速度緩慢，無法快速地保持在最大功率點(diǎn)上振蕩。顯然，在現(xiàn)有的技術(shù)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(zhuǎn)換率（第三章中己介紹），光伏電池列陣還需要隨時(shí)跟著太陽的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)才能收到最大的輻射能量。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。 2）大自然中大氣情況是復(fù)雜多變的，真正的高精度跟蹤，對(duì)跟蹤平臺(tái)的要求非常高。 自適應(yīng)的含義：該平臺(tái)在安裝后就開始 自動(dòng)工作，不需手動(dòng)調(diào)整，而且能夠自動(dòng)根據(jù)光線的偏移情況，啟動(dòng)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(tái)。當(dāng)早上太陽從東方升起的時(shí)候，光敏元件 G4 接受到的光強(qiáng)（陽面）大于 G1 接受到的光強(qiáng)（陰面），因此輸出一個(gè)正的差動(dòng)信號(hào)給窗口形成電路，經(jīng)過處理后驅(qū)動(dòng)電機(jī)使跟 蹤平臺(tái)向東轉(zhuǎn)動(dòng)。這些特點(diǎn)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(hào)采集元件 [12]。 動(dòng)力單元 因?yàn)橹绷麟姍C(jī)是無法精確控制其轉(zhuǎn)動(dòng)角度的，所以目前太陽能跟蹤器常用的動(dòng)力單元為步進(jìn)電機(jī)。相對(duì)而言，雖然無法控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)角，但可以控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只要附加一個(gè) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路即可達(dá)到跟蹤控制的要求，成本很低。由跟蹤原理知，當(dāng)兩個(gè) 光敏電阻的照度差（有正有負(fù)）較小或?yàn)榱銜r(shí)（精度范圍之外），信號(hào)處理電路是不會(huì)輸出信號(hào)的；當(dāng)相應(yīng)的兩個(gè)光敏電阻的照度差（有正有負(fù)）達(dá)到一定數(shù)值的時(shí)候（精度范圍內(nèi)），信號(hào)處理電路應(yīng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)平臺(tái)跟蹤。當(dāng)太陽向西偏移時(shí)， G1 和 G3 分別起作用使平臺(tái)向西跟蹤太陽，當(dāng)遇到云層遮住太陽或者下雨等其它原因?qū)е绿柶x較遠(yuǎn)時(shí)，G1 起主導(dǎo)作用進(jìn)行較大范圍的搜索跟蹤，到一定精度后 G3 慢慢起主導(dǎo)作用進(jìn)行精確跟蹤。 自適應(yīng)復(fù)精度跟蹤平臺(tái)包括自適應(yīng)復(fù)精度太陽探測(cè)單元、信號(hào)處理與控制單元、驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行的動(dòng)力單元及其機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)圖如下所示。這種情況就要求傳感探測(cè)單元能夠精確反應(yīng)太陽光線的變化，來實(shí)現(xiàn)高精度跟蹤。但是，該機(jī)構(gòu)只能用于單軸跟蹤，精度很低。而且瓦數(shù)越大，造價(jià)降低就越多，這是因?yàn)楦櫵郊拥牟考O(shè)備，在一定的范圍內(nèi)，（比如說從 200 瓦到800 瓦）基本上沒有什么大變動(dòng)的緣故。其流程圖如 43： 圖 43 擾動(dòng)法流程圖 光伏電池列陣 DC 變換器 負(fù)載 控制器 I V 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 電導(dǎo)增量法 電導(dǎo)增量法（ Incremental conductance Algorithm）也是 MPPT 控制常用的算法，它是通過采集光伏電池端的電壓（電流），并根據(jù)其功率對(duì)電壓的變化率與輸出電壓、電流之間的關(guān)系來完成最大功率點(diǎn)追蹤的目的。 常用最大功率點(diǎn)跟蹤方法比較 光伏系統(tǒng)中的最大功率點(diǎn)跟蹤的控制方法很多，在許多的文獻(xiàn)中都有相關(guān)探討，使用不同的控制方法在其復(fù)雜程度及效果上是有很大差異的，但目前常用的方法是電壓反饋法、擾動(dòng)法和電導(dǎo)增量法。這在實(shí)際的制作中帶來極大的方便，而且節(jié)省了材料。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 聚光器的選擇和開發(fā) 聚光器的選擇 影響太陽能聚光器設(shè)計(jì)的有如下幾個(gè)方面： 1)制造成本以及使用方便性 2)工作溫度及性能 3)使用壽命及維修性 在已有的理論知識(shí)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)聚光器時(shí)，首先要根據(jù)以上因素選擇聚光器的類型。 要分析 CPC 復(fù)合聚光器的性能，我們引入這樣一個(gè)常量 — θmax 入射光最大張角。在槽形拋物面反射鏡中，接收器通常為圓管；聚焦旋轉(zhuǎn)拋物面聚光器的吸收器可以是球體、圓板、也可以是空 腔球體。而這個(gè)結(jié)論就為提高轉(zhuǎn)換效率提供了一種途徑：可以通過加裝聚光器來加強(qiáng)光照強(qiáng)度，從而減少光伏電池的使用，降低光伏發(fā)電的成本。在 PV 特性曲線中，可以看出隨著端電壓由零逐漸增長(zhǎng)輸出功率先上升然后下降，說明存在一個(gè)端電壓值，在其附近可獲得最大功率輸出，跟 IV 曲線說明了同一個(gè)問題，這為光伏發(fā)電控制方法的改進(jìn)提供了途徑。 圖 21單個(gè)光伏電池的模型和外觀 光伏電池的物理模型 光伏電池受光的照射便產(chǎn)生電流。它的種類很多，大致可分為硅光伏電池、化合物半導(dǎo)體光伏電池。要把 20xx 年奧運(yùn)會(huì)辦成最成功的一屆奧運(yùn)會(huì)， 光 伏發(fā)電應(yīng)用必然要擔(dān)當(dāng)一個(gè)重要的角色，在奧運(yùn)村和運(yùn)動(dòng)場(chǎng)館規(guī)劃中，太陽能利用及光伏發(fā)電站的建設(shè)均占主要的地位[4]。最小的太陽能成套設(shè)備發(fā)電出力為 150W，包括安裝費(fèi)在內(nèi)的零售價(jià) 是 290 美元，占澳大利亞普通家庭每年耗電量的 5%，每年可減少溫室氣體排放 350kg。這對(duì)于世界尤其是我國是十分迫切的。光伏發(fā)電系統(tǒng)可以直接將太陽光能轉(zhuǎn)換為高品位能源 — 電能。光伏發(fā)電安全可靠，不會(huì)遭受能源危機(jī)或燃料市場(chǎng)不穩(wěn)定的沖擊。 由于環(huán)保和能源持續(xù)供應(yīng)的需要，太陽能光伏發(fā)電 （ 即光伏電池 ） 近年來始終 保持30～ 40%的年增長(zhǎng)量，因而被譽(yù)為全世界增長(zhǎng)最快的能源。為了提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率，光 伏電池板部分可以內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 采用聚光器，常用的聚光器有拋物槽、菲涅耳透鏡、 CPC 聚 光器、熒光式聚光器、全息聚光器和中心接受聚光器等，它們都可以不同程度的提高光伏電池的轉(zhuǎn)換率。 光伏電池的光伏效應(yīng) 當(dāng)適當(dāng)波長(zhǎng)的光照到半導(dǎo)體系統(tǒng)上時(shí)，系統(tǒng)吸收光能后兩端產(chǎn)生電 動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏效應(yīng)。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 22 理想狀態(tài)的太陽能電池等效電路圖 在這種等效電路中，加給負(fù)荷的電壓 V 和流過負(fù)荷的電流 I 之間的關(guān)系式， 可由下式給出。 （ IM）：在給定日照強(qiáng)度和溫度下相應(yīng)于最大功率點(diǎn)的電流。所以在應(yīng)用時(shí)，如果使用聚光器，則聚光 器的聚光倍數(shù)不能過大，以免造成結(jié)溫過高使電池轉(zhuǎn)換率下降甚至損害電池。 圖 32槽形拋物面反射鏡的光路圖 聚光器的聚光比根據(jù)定義為： A B l BC A d l d? ???? ? ??吸 （ 32） 式中 l— 槽形拋物面反射鏡的長(zhǎng)度； B— 槽形拋物面反射鏡的開口寬度； d— 圓管接收器的直徑。根據(jù)拋物面聚光器的聚光原理以及 θA 定義，復(fù)合拋物面聚光器有：當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角小于 θmax 時(shí)就被拋物面鏡直接反射到底部接收器上；當(dāng)入射光 與CPC 中軸的夾角等于 θmax 時(shí)，光線就能被拋物面鏡反射到底部接收器的邊緣點(diǎn)（拋物面焦點(diǎn) fU 或 fV上）；當(dāng)入射光與 CPC 中軸的夾角大于 θmax 時(shí)，都被拋物面鏡反射回天空。同時(shí)，使用拋物面反射鏡聚光器，必須 附加高精度的跟蹤裝置，這樣也提高了成本。 ?？刂圃韴D如 41： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 圖 41 電壓反饋法原理圖 在系統(tǒng)對(duì) MPPT 的要求不高的情況下，可以用此特點(diǎn)簡(jiǎn)化控制設(shè)計(jì)。其控制的流程圖如圖 44 。 1）控放式跟蹤器 控放式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖 51 所示，其原理為：在太陽光接收器的西 側(cè)放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。當(dāng)太陽光線與采光板的法線有一夾角時(shí)，光敏元件反應(yīng)出照度差，信號(hào)采集電路采集到光敏元件的信號(hào)差值，控制電路將此差值轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，直至兩個(gè)光敏元件上的光照強(qiáng)度相同。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)在早上能夠復(fù)位。傳統(tǒng)比較跟蹤器的傳感探測(cè)單元存在著很大問題，不能滿足復(fù)雜多變大氣的需要。傳統(tǒng)的跟蹤器只是一套太陽探測(cè)單元，不能滿足太陽光線復(fù)雜多變的要求，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的完全自動(dòng)跟蹤。窗口形成電路主要有四個(gè)電壓比較器及附屬元件組成。在確定功率放大器輸出電路的具體方案時(shí)，首先要針對(duì)負(fù)載（電機(jī)）的特點(diǎn)：它不僅包含有電阻，而且還有電感和速度反電勢(shì)。當(dāng) Vi在窗口范圍以內(nèi)，無信號(hào)輸出；當(dāng) Vi 超出了窗口范圍，就會(huì)產(chǎn)生輸出信號(hào)；通過這種方法對(duì) Vi 就加以區(qū)別了，其真值表如表 51 所示。 它的用途很廣，可用于物體檢測(cè)、光電檢測(cè)、光電控制、自動(dòng)報(bào)警等方面。 自適應(yīng)復(fù)精度太陽位置探測(cè)單元主要是由 8 只經(jīng)過挑選的性能優(yōu)良的光敏元件和 8只電阻組成。 新型跟蹤平臺(tái)的開發(fā) 為了解決上一小節(jié)所述問題，滿足復(fù)雜多變的光線照射情況，本課題提出了兩套方案：一種是自適應(yīng)復(fù)精度太陽跟蹤平臺(tái)；另一種是通過單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽跟蹤平臺(tái)。但這種跟蹤器只是從理論上來看比較理想，要把理論變成實(shí)際產(chǎn)品，要開發(fā)出真正廉價(jià)、高精、實(shí)用的自動(dòng)跟蹤平臺(tái)，在理論基礎(chǔ)上還得解決以下的問題： 1）光敏元件比較式跟蹤器雖然原理簡(jiǎn)單，但目前市場(chǎng)上的價(jià)格相對(duì)于民用來說還是很高。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽的觀測(cè)或者大型發(fā)電廠，面向的是多個(gè)采光設(shè)各組成的陣列，其跟蹤系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)控制可收到控制精度高、平均成本低的效果。當(dāng)溫度的變化幅度超過所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。通過不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第四章 光伏電池最大功率點(diǎn)的跟蹤 最大功率點(diǎn)跟蹤及其實(shí)現(xiàn)目標(biāo) 由 節(jié)光伏電池的輸出特性可知，要利用光伏電池發(fā)電 ，為了使其工作于最佳狀態(tài)，就要使其工作于最大功率點(diǎn)上。拋物面反射鏡的制造成本高，同時(shí)需要跟蹤裝置，成本相對(duì)最高；復(fù)合拋物面鏡的制造成本也很高，雖不需跟蹤裝置，但是使用的方便性有所降低；菲涅爾聚光器的成本非常低廉，制造工藝也非常簡(jiǎn)單，適合大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。 圖 36菲涅爾折射聚光器的光折射原理 設(shè)菲涅爾透鏡某一鋸齒的棱角為Φ，當(dāng)陽光垂直于透鏡平面入射時(shí)，根據(jù)光的折射幾何關(guān)系有： ? ?22ta n xn x f f? ? ?? （ 39） 式中 n— 材料的折射率； X— 某一鋸齒棱的中心到主光軸的距離； f— 焦距。 復(fù)合 拋物面（ CPC）聚光器 上一小節(jié)所提到的拋物面反射鏡聚光器進(jìn)行聚光成像，需要平行于鏡面主光軸的光線，也就是聚光器需要接收太陽直射輻射才能工作。對(duì)于給定的入射光，聚光比越高，入射光就能會(huì)聚到越小的區(qū)域，熱能的損失越低，聚光器的 工作溫度相對(duì)越高。 圖 26 不同日照強(qiáng)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 從實(shí)驗(yàn)中得到，電池的開路電壓近似的與光