【正文】 器的位置， 20 使其采光面垂直于太陽光線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)太陽跟蹤。自動(dòng)跟蹤子程序流程見圖 。 其中，2軸為俯仰軸， X軸為方位軸。由于影響跟蹤精度的因素很多，不僅跟當(dāng)?shù)鼐暥?、太陽赤緯角、太陽時(shí)角的取值有關(guān)，還跟步進(jìn)電機(jī)的精度以及跟蹤轉(zhuǎn)臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而需要對(duì)跟蹤軌跡的程序進(jìn)行校正。校正采用手動(dòng)操作，使跟蹤臺(tái)的兩個(gè)軸帶動(dòng)集熱器轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)不斷觀察日暑的影子，當(dāng)影子剛好聚為一點(diǎn)時(shí)為最佳，記錄下從原點(diǎn)到該點(diǎn)兩軸的步進(jìn)電機(jī)各自走過的實(shí)際脈沖數(shù)，然后依據(jù)算法計(jì)算兩軸的步進(jìn)電機(jī)從原點(diǎn)到該點(diǎn)的理論脈沖數(shù)，根據(jù)實(shí)際脈沖數(shù)與理論脈沖數(shù)之差，可算得到角度之差，就是高度角和方位角的修正值。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正系數(shù)，取其平均值。用正系數(shù)校正理論值存入控制程序，可以提高跟蹤精度。 圖 太陽集熱跟蹤臺(tái) 21 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 22 （ 八 ）本章小結(jié) 在本章節(jié)中分析了現(xiàn)代能源日益短缺的嚴(yán)峻現(xiàn)狀和新型能源發(fā)展的趨勢(shì)，從而說明了利用太陽能做為一種新型能源是有效而可行的，太陽能是一種清潔環(huán)保并且用之不竭的能源，如何對(duì)其進(jìn)行利用將是未來能源研究發(fā)展的趨勢(shì)。另外，本章節(jié)還對(duì) 幾種 太陽能 發(fā)電裝 置 進(jìn)行了分析， 并且 對(duì) 目前的 各種跟蹤方法的 進(jìn)行了分析對(duì)比 ， 從而對(duì)目前的太陽能跟蹤技術(shù)有了一定的了解 。為本課題中太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)提供了 基礎(chǔ)和依據(jù) 。 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 23 二 、 跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想及框架 （一）跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 本系統(tǒng)研制的出發(fā)點(diǎn)是更加有效的利用 太陽能。 對(duì)太陽能的利用一般都是采用太陽能采集裝置把太陽能量轉(zhuǎn)化為其他類型的可用能源而加以利用，在本研究中，確定了使用太陽能電池 板 把太陽能量轉(zhuǎn)化為電能。對(duì)太陽能進(jìn)行電能轉(zhuǎn)換的時(shí)候，由于太陽的位置是隨著時(shí)間的變化而改變的，如果采用固定式的太陽能接收裝置，此裝置的位置無法隨 太陽改變，只能在固定時(shí)段有效的吸收太陽能，在其他時(shí)段的吸收效率就十分低下，因此，要使太陽能的吸收效率提高，采用太陽跟蹤系統(tǒng)對(duì)太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是可行和有效的。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。 本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠。根據(jù)本系統(tǒng)的整體要求，裝置的各組成部分應(yīng)該選用常用而且性價(jià)比與可靠性較高的構(gòu)件，充分考慮其經(jīng)濟(jì)性 .在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，要使系統(tǒng)機(jī)構(gòu)盡量簡(jiǎn)潔，避免過于復(fù)雜和 昂貴 ，要便于安裝和維護(hù)。在控制部分的設(shè)計(jì)中，要考慮到系 統(tǒng)的全天候性要求，選用耐用和抗干擾性強(qiáng)的執(zhí)行元件，避免頻繁發(fā)生系統(tǒng)故障。 （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 。 系統(tǒng) 組成 如圖 。 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 24 本光伏發(fā)電系統(tǒng) 的目的即是 對(duì)太陽能進(jìn)行有效的吸收，從而盡可能多的把太陽能量轉(zhuǎn)化為可用電能，提供給耗電負(fù)載使用，起到節(jié)省能源的目的。在本系統(tǒng)的研發(fā)中，太陽能電池是太陽能采集裝置的首選部件。 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。不能滿足本系統(tǒng)經(jīng)久耐用的研發(fā)要求。因此，太陽能電池 需要 通過膠封、層壓等方式封裝成平板式結(jié)構(gòu)才能投入使用 ，如 層壓的封裝方式，即將太陽能電池片的正面和背面各用一層透明、耐老化、 黏 結(jié)性好的熱熔性膠膜封裝，并采用透明度高、耐沖擊的低鐵鋼化玻璃做為蓋板，用耐濕抗酸的復(fù)合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通過真空層壓工藝將電池片、正面蓋板和背板薪合為一個(gè)整體，從而構(gòu)成一個(gè)使用的太陽能電池發(fā)電器件，稱為太陽能電池組件。 目前市場(chǎng)上的 太陽能電池 基本都為封裝后的成品， 通過封裝處理的太陽能電池就可以應(yīng)對(duì)各種氣候條件，并且耐沖擊，可以適應(yīng)各種應(yīng)用條件，達(dá)到了長(zhǎng)期使用的目的，從而很好的滿足了本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)要求。 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。 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)機(jī)械部件的選取必須滿足性能可靠、價(jià)格低廉和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的研發(fā)要求。選取的是普通的市面常見的裝置，這樣能使整個(gè)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、性價(jià)比高。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的構(gòu)成設(shè)想基于簡(jiǎn)單易安裝的要求，主要 由底座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、聯(lián)軸器、減速機(jī)構(gòu)、電池板固定框架等構(gòu)成。 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)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用的是步進(jìn)電機(jī)，此種電機(jī)性能可靠，對(duì)于角度量轉(zhuǎn)向控制精確。連軸器選用的是普遍使用的彈性聯(lián)軸器，耐沖擊，經(jīng)久耐用。由于研發(fā)要求系統(tǒng)要結(jié)構(gòu)緊湊，電機(jī)選取的為小型步進(jìn)電機(jī)，輸出扭矩達(dá)不到轉(zhuǎn)向要求，因此要選用減速機(jī)構(gòu)來提升輸出扭矩，在本光伏系統(tǒng)中，選取的是小型渦輪蝸桿減速機(jī)構(gòu) 。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。電池板固定架用來對(duì)太陽能電池板進(jìn)行固定，要求設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定。 25 在本系統(tǒng)中，要根據(jù)即時(shí)時(shí)間進(jìn)行太陽角度的運(yùn)算，調(diào)整系統(tǒng)精確轉(zhuǎn)向，因此要合理選用控制芯片完成此功能。 由于太陽的位置角度和時(shí)間有關(guān)，要對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效讀取，必須選取計(jì)時(shí)芯片完成此功能。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。 在本系統(tǒng)中，考慮選用的控制核心為單片機(jī)。單片機(jī)將中央處理器、存儲(chǔ)器、輸入/輸出接口電路以及定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器單元集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)完整的計(jì)算機(jī)體系。單片機(jī)把各項(xiàng)功能部件都集成 在一塊芯片上，因此它的結(jié)構(gòu)緊湊、超小型化、價(jià)格低廉、易于開發(fā)應(yīng)用。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)。 本系統(tǒng)的制造目的是對(duì)太陽能進(jìn)行采集，并加以利用，因此需要將太陽能電池組件產(chǎn)生的電能儲(chǔ)存起來，用于其他耗電場(chǎng)合 .蓄電池組是本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的貯能裝置，它的作用是將太陽能電池方陣從太陽輻射能轉(zhuǎn)換來的直流電轉(zhuǎn)換為化學(xué)能貯存起來，以供應(yīng)用。 蓄電池在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電方式為 ： 當(dāng)太陽能電池板的電勢(shì)大于蓄電池的電勢(shì)時(shí)，電能充入蓄電池，蓄電池處于充電狀態(tài)。當(dāng)太陽能電池方陣 不發(fā)電或電動(dòng)勢(shì)小于蓄電池電勢(shì)時(shí)，由于阻塞二極管的作用，蓄電池不會(huì)通過太陽能電池方陣放電。 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。比對(duì)兩種蓄電池的特點(diǎn)，鉛酸蓄電池價(jià)格低廉，原材料易得，維護(hù)方便，原材料豐富，但體積較大。堿性蓄電池維護(hù)容易，壽命較長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易損壞，但價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜。從技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面綜合考慮，在本系統(tǒng)中貯能裝置應(yīng)采用鉛酸蓄電池為宜。 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。 逆變器是將直流電變換為交流電的電力變換裝置，逆變器技術(shù)在電力電子技術(shù)中已經(jīng)較為成熟。 作為在本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的逆變器，要滿足以下要求 ： 1） 對(duì)輸出功率和瞬時(shí)峰值的要求 ； 26 2） 對(duì)逆變器輸出效率的要求 ； 3） 對(duì)逆變器輸出波形的要求 ； 4） 對(duì)逆變器輸入直流電壓的要求 。 逆變器與正變換正好相反，它使用具有開關(guān)特性的全控功率器件，通過一定的控制邏輯，由主控制電路周期性的對(duì)功率器件發(fā)出開關(guān)控制信號(hào) ，再經(jīng)變壓器 耦合 升 （ 降 ）壓、整形濾波就可得到交流電。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。 為了最大限度地利用蓄電池的性能和延長(zhǎng)使用壽命，必須對(duì)它的充電條件加以規(guī)定和控制。無論太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是大還是小，是簡(jiǎn)單還是復(fù)雜，充電控制器都必不可少。一個(gè)好的充電控制器能夠有效地防止蓄電池過充電和深度放電，并使蓄電池使用達(dá)到最佳狀態(tài) 。 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。一般而言，蓄電池充電方法有三種 ：恒流充電、恒壓充電和恒功率充電，每種方法具有不同的電壓和電流充電特性 。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中，一般采用充電控制器來控制充電過程，并對(duì)過充電進(jìn)行保護(hù)，最常用的充電控制器有 ： 完全匹配系統(tǒng)、并聯(lián)調(diào)節(jié)器、部，脈沖寬度調(diào)制 （ PWM） 開關(guān)，脈沖充電電路。針對(duì)不同的光伏發(fā)電系統(tǒng)可以選用不同的充電控制器，主要考慮的因素是要盡可能的可靠、控制精度高及低成本。所用開關(guān)器件，可以是繼電器，也可是 MOS晶體管。但采用脈沖寬度調(diào)制型控制器，往往包含最大功率的跟蹤功能，只能用 MOS晶體管作為開關(guān)器件。此外，控制蓄電池的充電過程往往是通過控制蓄 電池的端電壓來實(shí)現(xiàn)的，因而光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電控制器又稱為電壓調(diào)節(jié)器。 控制器可分為并聯(lián)控制器和串聯(lián)控制器兩種，本設(shè)計(jì)中選擇并聯(lián)控制方式。 （ 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。每轉(zhuǎn)一周為一晝夜，一晝夜又分為 24h，所以地球每個(gè)小時(shí)自轉(zhuǎn) 15176。 地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽循著偏心率很小的橢圓形軌道 (黃道 )上運(yùn)行，稱為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運(yùn)行的軌道面 (黃道面 )法線傾斜成 23176。 27180。 27 的夾角，而且地球公轉(zhuǎn)時(shí)其 自轉(zhuǎn)軸的方向始終不變，總是指向天球的北極。因此，地球處于運(yùn)行軌道不同位置時(shí)，陽光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。 假設(shè)觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對(duì)太陽在天球上的周年視運(yùn)動(dòng)情況做如下描述。 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。 )，地球北半球的天文春季開始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。太陽在正午的高度等于 90176。 ? (? 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?)。春分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長(zhǎng)，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽的高度逐日增加。 夏至日 (6月 2日 )，太陽正午高度達(dá)到最大值 90176。 ? +23176。 27180。，白晝最長(zhǎng)，這時(shí)候地球北半球天文夏季開始。夏至過后，太陽正午高度逐日降低，同時(shí)白晝縮短，太陽的升落又趨向正東和正西。 秋分日 (9月 23日 )，太陽又從赤道以北到達(dá)赤道 (太陽的赤緯 ? =0176。 )，地球北半球的天文秋季 開始。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。 秋分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向南方，白晝時(shí)間縮短，黑夜時(shí)間增長(zhǎng)，正午時(shí)候太陽的高度逐日降低。冬至日 (12月 2日 )，太陽正午高度達(dá)最小值 90176。 ? 23176。 27180。，黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文冬季開始。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時(shí)白晝?cè)鲩L(zhǎng)，太陽的升落又趨向正東和正西，直到春分日 (3月 21日 )太陽從赤道以南到達(dá)赤道。 （ 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。在一年中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過士 23176。 27180。的范圍。夏天最大變化到夏至日的 +23176。 27180。冬季最小變化到冬至日的 23176。 27180。.太陽赤緯隨季節(jié)變化，按照 Coper方程， 由式 (41)計(jì)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 : 28 ? =? () （ 2） 太陽角的計(jì)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 ? 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。太陽的時(shí)角用 ? 表示，它定義為 :在正午時(shí) ? =0，每隔一個(gè)小時(shí)增加 15176。，上午為正，下午為負(fù)。 圖 太陽角的定義 1） 太陽高度角 計(jì)算太陽高度角的表達(dá)式為 sinh=sin? sin? +cos? cos? cos? （ ） 式中， ? 滬為地理緯度； ? 占為太陽赤緯； ? 口為太陽時(shí)角。 29 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士（ ? ? ） ]，