【正文】 器的位置， 20 使其采光面垂直于太陽光線，實現(xiàn)實時太陽跟蹤。自動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?shù)鼐暥?、太陽赤緯角、太陽時角的取值有關(guān)，還跟步進電機的精度以及跟蹤轉(zhuǎn)臺的機械結(jié)構(gòu)有關(guān)，因而需要對跟蹤軌跡的程序進行校正。校正采用手動操作，使跟蹤臺的兩個軸帶動集熱器轉(zhuǎn)動，同時不斷觀察日暑的影子，當影子剛好聚為一點時為最佳，記錄下從原點到該點兩軸的步進電機各自走過的實際脈沖數(shù)，然后依據(jù)算法計算兩軸的步進電機從原點到該點的理論脈沖數(shù)，根據(jù)實際脈沖數(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 幾個不同時刻進行，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 21 主程序開始 跟蹤臺自動回零 實驗初始參數(shù)設置 試驗開始？ 自動跟蹤子程序 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 試驗結(jié)束？ 主程序結(jié)束 N N Y Y 圖 試驗主流程圖 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峻現(xiàn)狀和新型能源發(fā)展的趨勢，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，如何對其進行利用將是未來能源研究發(fā)展的趨勢。另外，本章節(jié)還對 幾種 太陽能 發(fā)電裝 置 進行了分析， 并且 對 目前的 各種跟蹤方法的 進行了分析對比 ， 從而對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跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)提供了 基礎和依據(jù) 。 子程序開始 計算太陽當前位置 跟蹤器當前位置是否為零點 ？ 自動調(diào)整跟蹤對準太陽 跟蹤器自動快速指向太陽 是否已對準太陽 ？ 子程 序結(jié)束 圖 自動跟蹤子程序 Y Y N N 23 二 、 跟蹤系統(tǒng)的設計構(gòu)想及框架 （一）跟蹤系統(tǒng)的設計要求 本系統(tǒng)研制的出發(fā)點是更加有效的利用 太陽能。 對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。對太陽能進行電能轉(zhuǎn)換的時候，由于太陽的位置是隨著時間的變化而改變的，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，只能在固定時段有效的吸收太陽能，在其他時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)對太陽進行實時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太陽進行即時跟蹤，使太陽能接收裝置能夠始終正對太陽，從而提高吸收效率。 本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟、結(jié)構(gòu)簡單、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該選用常用而且性價比與可靠性較高的構(gòu)件，充分考慮其經(jīng)濟性 .在結(jié)構(gòu)設計中，要使系統(tǒng)機構(gòu)盡量簡潔，避免過于復雜和 昂貴 ，要便于安裝和維護。在控制部分的設計中，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)向機構(gòu) 太陽能采集裝置 直流負載 交流負載 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 對太陽能進行有效的吸收，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整體，從而構(gòu)成一個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對各種氣候條件，并且耐沖擊，可以適應各種應用條件，達到了長期使用的目的，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構(gòu)用來跟蹤太陽的實時位置。 轉(zhuǎn)向機構(gòu)機械部件的選取必須滿足性能可靠、價格低廉和結(jié)構(gòu)簡單的研發(fā)要求。選取的是普通的市面常見的裝置，這樣能使整個轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊、性價比高。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的構(gòu)成設想基于簡單易安裝的要求，主要 由底座、驅(qū)動電機、聯(lián)軸器、減速機構(gòu)、電池板固定框架等構(gòu)成。 在轉(zhuǎn)向機構(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。驅(qū)動電機選用的是步進電機，此種電機性能可靠，對于角度量轉(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，電機選取的為小型步進電機，輸出扭矩達不到轉(zhuǎn)向要求，因此要選用減速機構(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構(gòu)的傳動比，在系統(tǒng)設計中選用的傳動比為 50:1即可 達到要求。電池板固定架用來對太陽能電池板進行固定，要求設計合理，穩(wěn)定。 25 在本系統(tǒng)中，要根據(jù)即時時間進行太陽角度的運算，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間有關(guān)，要對時間進行實時監(jiān)控和有效讀取，必須選取計時芯片完成此功能。在本系統(tǒng)中使用的時間芯片是 8563，用來進行時間的控制。 在本系統(tǒng)中，考慮選用的控制核心為單片機。單片機將中央處理器、存儲器、輸入/輸出接口電路以及定時器 /計數(shù)器單元集成在一塊芯片上，構(gòu)成一個完整的計算機體系。單片機把各項功能部件都集成 在一塊芯片上，因此它的結(jié)構(gòu)緊湊、超小型化、價格低廉、易于開發(fā)應用。本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分選用的 AT89C51單片機。 本系統(tǒng)的制造目的是對太陽能進行采集，并加以利用，因此需要將太陽能電池組件產(chǎn)生的電能儲存起來，用于其他耗電場合 .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)換為化學能貯存起來，以供應用。 蓄電池在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電方式為 ： 當太陽能電池板的電勢大于蓄電池的電勢時，電能充入蓄電池，蓄電池處于充電狀態(tài)。當太陽能電池方陣 不發(fā)電或電動勢小于蓄電池電勢時，由于阻塞二極管的作用，蓄電池不會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。比對兩種蓄電池的特點，鉛酸蓄電池價格低廉，原材料易得，維護方便，原材料豐富，但體積較大。堿性蓄電池維護容易，壽命較長，結(jié)構(gòu)堅固，不易損壞，但價格昂貴，制造工藝復雜。從技術(shù)和經(jīng)濟方面綜合考慮，在本系統(tǒng)中貯能裝置應采用鉛酸蓄電池為宜。 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。 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)中應用的逆變器，要滿足以下要求 ： 1） 對輸出功率和瞬時峰值的要求 ； 26 2） 對逆變器輸出效率的要求 ； 3） 對逆變器輸出波形的要求 ； 4） 對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功率器件發(fā)出開關(guān)控制信號 ，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使用壽命，必須對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，是簡單還是復雜，充電控制器都必不可少。一個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。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，并對過充電進行保護，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，本設計中選擇并聯(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，所以地球每個小時自轉(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 )上運行，稱為“公轉(zhuǎn)”，其周期為一年。地球的自轉(zhuǎn)軸與公轉(zhuǎn)運行的軌道面 (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，地球處于運行軌道不同位置時，陽光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。 假設觀察者位于地球北半球中緯度地區(qū)，我們可以對太陽在天球上的周年視運動情況做如下描述。 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。在周日視運動中，太陽出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。太陽在正午的高度等于 90176。 ? (? 為觀察者當?shù)氐牡乩砭暥?)。春分過后，太陽的生落點逐日移向北方，白晝時間增長，黑夜時間縮短，正午時太陽的高度逐日增加。 夏至日 (6月 2日 )，太陽正午高度達到最大值 90176。 ? +23176。 27180。，白晝最長，這時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。在周日視運動中，太陽多出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長。 秋分過后，太陽的生落點逐日移向南方，白晝時間縮短，黑夜時間增長，正午時候太陽的高度逐日降低。冬至日 (12月 2日 )，太陽正午高度達最小值 90176。 ? 23176。 27180。，黑夜最長，這時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，同時白晝增長，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。太陽的時角用 ? 表示，它定義為 :在正午時 ? =0，每隔一個小時增加 15176。，上午為正，下午為負。 圖 太陽角的定義 1） 太陽高度角 計算太陽高度角的表達式為 sinh=sin? sin? +cos? cos? cos? （ ） 式中， ? 滬為地理緯度； ? 占為太陽赤緯； ? 口為太陽時角。 29 正午時 ， ? =0， cos? =1， ()式可以簡化為： sinh=sin? sin? +cos? cos? =cos(? ? ) 因為， cos（ ? ? ） =sin[90士（ ? ? ） ]，