【正文】 27180。 27180。的范圍。在一年中，太陽赤緯每天都在變化，但不超過士 23176。冬至過后，太陽正午高度逐日升高，同時(shí)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(dá)赤道。 27180。冬至日 (12月 2日 )，太陽正午高度達(dá)最小值 90176。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。 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。白晝最長，這時(shí)候地球北半球天文夏季開始。 ? +23176。春分過后，太陽的生落點(diǎn)逐日移向北方，白晝時(shí)間增長，黑夜時(shí)間縮短，正午時(shí)太陽的高度逐日增加。太陽在正午的高度等于 90176。 )，地球北半球的天文春季開始。 假設(shè)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(yùn)動(dòng)情況做如下描述。太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。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。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。 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。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。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。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 。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) 。 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。 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(hào) ，再經(jīng)變壓器 耦合 升 （ 降 ）壓、整形濾波就可得到交流電。 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。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。比對兩種蓄電池的特點(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。當(dāng)太陽能電池方陣 不發(fā)電或電動(dòng)勢小于蓄電池電勢時(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。 本系統(tǒng)的制造目的是對太陽能進(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。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。 在本系統(tǒng)中，考慮選用的控制核心為單片機(jī)。 由于太陽的位置角度和時(shí)間有關(guān)，要對時(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。電池板固定架用來對太陽能電池板進(jìn)行固定，要求設(shè)計(jì)合理，穩(wěn)定。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) 。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，對于角度量轉(zhuǎn)向控制精確。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的構(gòu)成設(shè)想基于簡單易安裝的要求，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。 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)簡單的研發(fā)要求。 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(yīng)對各種氣候條件，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。不能滿足本系統(tǒng)經(jīng)久耐用的研發(fā)要求。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。 系統(tǒng) 組成 如圖 。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。 本系統(tǒng)的整體研發(fā)要求是經(jīng)濟(jì)、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠。對太陽能進(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)對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤是可行和有效的。 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)整跟蹤對準(zhǔn)太陽 跟蹤器自動(dòng)快速指向太陽 是否已對準(zhǔn)太陽 ？ 子程序結(jié)束 圖 自動(dòng)跟蹤子程序 Y Y N N 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。另外，本章節(jié)還對 幾種 太陽能 發(fā)電裝 置 進(jìn)行了分析， 并且 對 目前的 各種跟蹤方法的 進(jìn)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 。用正系數(shù)校正理論值存入控制程序，可以提高跟蹤精度。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。 其中，2軸為俯仰軸， X軸為方位軸。接著每間隔一定時(shí)間，自動(dòng)調(diào)整一次集熱器的位置，太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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。每當(dāng)試驗(yàn)時(shí)，跟蹤器在跟蹤太陽前先得讓方位軸和俯仰軸自動(dòng)回零 。跟蹤器的結(jié)構(gòu)示意見圖 。 時(shí)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)半圈，絲杠相應(yīng)走過 3rn們 n，由此通過集熱器臺(tái)架的傾角變化計(jì)算出絲杠直線運(yùn)動(dòng)的距離，再經(jīng)過傳動(dòng)比換算出步進(jìn)電機(jī)應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，根據(jù) 176。另一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶輪帶動(dòng)絲杠螺母旋轉(zhuǎn)，使絲杠進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于改變俯仰軸轉(zhuǎn)角用以改變集熱器的傾斜度，從而跟蹤太陽的高度角，其控制流程為 :步進(jìn)電機(jī)一同步帶輪 (傳遞動(dòng)力卜絲杠螺母 (旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) )一絲杠 (直線運(yùn)動(dòng) )。 時(shí)，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出120176。 時(shí)水平轉(zhuǎn)臺(tái)相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。水平轉(zhuǎn)臺(tái)相當(dāng)于集熱器的方位軸，由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，繞垂直于當(dāng)?shù)厮矫娴妮S旋轉(zhuǎn)，用以跟蹤太陽的方位角，其控制流程為 :步進(jìn)電機(jī)一諧波減速器 (降速增矩、角度細(xì) 分 )一水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)。該跟蹤器采用地平坐標(biāo)系跟蹤方式，主要由水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)、兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)以及集熱器臺(tái)架組成。該中心在集熱器性能測試試驗(yàn)中，要求集熱器采光面始終垂直太陽光線，入射角偏差不超過 5176。計(jì)算機(jī)測控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對充電電壓，充電電流，跟蹤光強(qiáng)、風(fēng)速、電瓶溫度等模擬量進(jìn)行采集、處理、顯示和打印，根據(jù)各模擬量的瞬時(shí)值，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)，報(bào)警控制，蓄電池的充電、放電和分級(jí)控制等功能，對設(shè)備 統(tǒng)一監(jiān)控管理。裝置由光敏探頭檢測太陽光強(qiáng)，通過跟蹤控制器，采用模擬壓差比較原理進(jìn)行比較，發(fā)出命令，驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)。全自動(dòng)太陽跟蹤裝置根據(jù)地平坐標(biāo)、雙軸跟蹤原理，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)朝著高精度，大范圍跟蹤方向發(fā)展，在有限的接受面積上最充分的應(yīng)用太陽能，降低裝置的成本 。這種跟蹤裝置主要應(yīng)用于科研，因此最應(yīng)保證的是機(jī)構(gòu)的精太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 19 度，其造價(jià)相對也比較昂貴。這些跟蹤器主要分為兩類 :一類是望遠(yuǎn)式，它接受太陽的垂直入射 。這些裝置靠互相垂直的兩條軸旋轉(zhuǎn)跟蹤天體，最常用的兩軸裝置有地平式和赤道式兩種。 太陽跟蹤裝置除了用作太陽能利用裝置以外，還常用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對太陽活動(dòng)的跟蹤觀察。例如，當(dāng)光照在左邊第 1個(gè)光敏電阻上時(shí)電機(jī)帶動(dòng)定位裝置向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，光從左邊第 1個(gè)光敏電阻離開并照在左邊第 2個(gè)光敏電阻上，電機(jī)帶動(dòng)定位裝置又向逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)相同的角度，這時(shí)光照在正中央的光敏電阻上，光垂直照在定位裝置上，電機(jī)停轉(zhuǎn) .這種跟蹤裝置通過 在半球狀傳感器上設(shè)置多個(gè)光敏電阻，提高了對太陽定位的速度，避免了為尋找太陽方位傳感器的重復(fù)擺動(dòng)，但是設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，而且由于每兩個(gè)光敏電阻的間隔造成其不能連續(xù)監(jiān)測和跟蹤太陽位置的變化，跟蹤精度有限。單方向定位裝置由 5個(gè)光敏電阻按一定的排列方式鑲嵌在半圓柱體上，如圖 ?！岸嘣ā碧柛櫻b置的傳感器結(jié)構(gòu)如圖 。太陽光線偏離角度在一個(gè)較大范圍內(nèi)時(shí)，長圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差，系統(tǒng)不能連續(xù)跟蹤太陽光線的角度變化。短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為 B，如圖 所示，即太陽光線的偏離角度在 B的范圍內(nèi)，短圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差。隨著圓筒 的增長，內(nèi)部兩個(gè)光電阻同時(shí)接受太陽光照的太陽光偏離角度的范圍會(huì)變小 。其次要設(shè)計(jì)長度合適的圓筒。當(dāng)光敏電阻的阻值較小的時(shí)候，光電阻在太陽照射下可能會(huì)很快達(dá)到飽和狀態(tài)，此時(shí)采集的信號(hào)就失真，不能正確反應(yīng)太陽光線的變化情況，會(huì)影響到跟蹤效果，跟蹤精度因此太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 降低。高度角的跟蹤基本原理及工作方式雷同。該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制單元開始工作，控制自動(dòng)跟蹤器調(diào)整太陽光接收裝置的角度，直到太陽光接收裝置對準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽光偏離垂直方向一個(gè)較小的角度時(shí) (Pl， P3)這一對光電阻可能受環(huán)境散射光的影響，不會(huì)反應(yīng)出太陽光線的變化 。 該跟蹤裝置對太陽的高度角和方位角進(jìn)行雙軸跟蹤，現(xiàn)在單獨(dú)研究對方位角進(jìn)行跟蹤的工作原理，假設(shè)太陽的高度角是不變的，即假設(shè)圓筒是始終在高度方向?qū)?zhǔn)太陽的。其中一對光電阻 (PS， P7)東西對稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度 。另一對光電阻 (PZ， P4)南北對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略檢測太陽的視高度即高度角 。設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，在圓筒外部，東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置 4只光電阻 。目前，典型的光電式太陽跟蹤裝置有比較控制式和“多元法”兩種。光電式太陽跟蹤裝置使用光敏傳感器來測定入射太陽光線和跟蹤裝置主光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個(gè)閉值時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整集熱裝置的位置，直到使太陽光線與集熱裝置光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。雖然采用多諧振動(dòng)器，仍然存在著跟蹤過度的情況。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)時(shí)跟蹤，成本低廉，不用外接電源，使收集到的能源充分轉(zhuǎn)化利用。當(dāng)集熱裝置轉(zhuǎn)至西邊的極限位置時(shí)，觸動(dòng)極限開關(guān)，切斷控制系統(tǒng)的電源 .第二天，只要將集熱裝置人工轉(zhuǎn)至向東的位置，便可開始新的跟 蹤。當(dāng)太陽重新出現(xiàn)時(shí)，集熱裝置必須作大角度的旋轉(zhuǎn)才能跟上太陽。為了保證 跟蹤系統(tǒng)在多云大氣下也能可靠地工作，光電控制線路中還增加了一組多諧振蕩器。信號(hào)經(jīng)放大，使高靈敏的繼電器動(dòng)作，并通過執(zhí)行繼電器控制電磁鐵吸合，于是制動(dòng)裝置松開，集熱裝置向西旋轉(zhuǎn)，直至對準(zhǔn)陽光。電池裝在集熱裝置的上方，前面設(shè)有遮光板，當(dāng)集熱裝置對準(zhǔn)太陽時(shí)恰好遮住陽光，使太陽能電池處于陰影區(qū)。彈簧則由電磁鐵控制。工作原理是 :由于在集熱裝置的西側(cè)裝有配重塊，在重力的作用下，集熱裝置便 會(huì)繞主軸自東向西轉(zhuǎn)動(dòng)。這種把原動(dòng)力與控制部件分離的方法，可以簡化控制裝置的結(jié)構(gòu)，減少能量消耗 (面板的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能來源于偏重的勢能 )，為不用外接電源創(chuàng)造了條件。 （ 4） 控放式太陽跟蹤裝置。 這種跟蹤器在實(shí)際中應(yīng)用很廣，其主要的優(yōu)點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)比較簡單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械式，不需電子控制部分及外接電源。由 于兩黑管的受熱情況不同，產(chǎn)生壓力差，左側(cè)黑管所接液壓缸一側(cè)的壓力增大，推動(dòng)活塞上移，帶動(dòng)跟蹤器平板繞中間支點(diǎn)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使跟蹤器平板隨太陽在空間位置的變化自東向西跟蹤集熱，直到日落西山。當(dāng)太陽正對跟蹤器平板時(shí)，兩黑管的受熱面積 (投影面 )相等，黑管保持同樣的受熱狀態(tài)，液壓缸活塞的兩側(cè)受力處于平衡狀態(tài)，跟蹤器平板靜止不動(dòng)。 簡易液壓式跟蹤器的工作原理與以上兩種基本相似 .太陽的相對位置信號(hào)由跟蹤器平板兩側(cè)遮光板下方南北向安裝的溫度傳感器 (黑管 )所接受。因?yàn)槿章浜罂諝庾兝?，并且容器?nèi)液體冷卻速度預(yù)先己經(jīng)調(diào)整，東面容器比西面容器冷卻得快，其內(nèi)壓力下降也快，于是東邊變重，使整個(gè)裝置向東傾斜，以待日出。整個(gè)裝置的重心低于樞軸，以防容器完全翻轉(zhuǎn)。否則一個(gè)容器接收的輻射能便較另一個(gè)容器多，從而導(dǎo)致液體蒸發(fā)上的差異， 使容器內(nèi)的壓力不同，于是液體便流向壓力低的容器。其中的液體 (如氟里昂 R一 12)可以互相流通。 重力差式跟蹤器是 1799年美國公布的一項(xiàng)專利。帶動(dòng)鏡面跟蹤太陽 .當(dāng)鏡 面對準(zhǔn)太陽時(shí)，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號(hào) .這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當(dāng)太陽剛升起 35分鐘后，鏡面即跟蹤對準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽偏移時(shí)，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號(hào)，用壓力為。這種太陽能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計(jì)誤差 ，并且自身不能消除。在美國加州建成的 10MW太陽1號(hào)塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計(jì) 28萬平方米的范圍內(nèi)分散著 1818塊反射鏡。 （ 2） 程序控制式太陽跟蹤裝置是與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的。其主要缺點(diǎn)是 :跟蹤精度不夠。為了完成這兩個(gè)方向上的跟蹤，機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用子午坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。雙軸跟蹤器的主要結(jié)構(gòu)是通過電機(jī)帶動(dòng)反射器以每小時(shí) 15度的恒速繞日軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽的赤經(jīng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每天以巧分的恒速