【正文】 能才可等量地照射到兩個(gè)容器上。液體多的容器重量增加，使裝置傾斜而跟蹤太陽(yáng)，直至對(duì)準(zhǔn)時(shí)為止。這種太陽(yáng)跟蹤器在夜間能自動(dòng)返回原來的位置。要使兩個(gè)容器冷卻速度不同，方法很多，例如可把東邊容器的一部分表面涂上熱輻射率高的涂料，或者把西邊容器的一部分表面加設(shè)絕熱層等等。黑管內(nèi)充有低沸點(diǎn)的液體太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 物質(zhì)，在常溫下，部分液體汽化形成飽和蒸汽，同時(shí)產(chǎn)生一定的飽和蒸汽壓，通過膠管驅(qū)動(dòng)雙桿雙作用液壓缸運(yùn)動(dòng)，達(dá)到自動(dòng)跟蹤目的。 當(dāng)太陽(yáng)光線向西偏移一個(gè)角度時(shí)，遮光板使黑管的受熱面積發(fā)生變化，右黑管將被遮光板遮住一部分，受熱面積改變，而左黑管的受熱面積不變，僅是位置發(fā)生了變化。第二天早上日出東方，曬熱右側(cè)黑管，液壓缸帶動(dòng)跟蹤器迅速做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)集熱。缺點(diǎn)是沒有足夠的工作空間，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動(dòng)對(duì)太陽(yáng)往返于南北回歸線之間運(yùn)動(dòng)的跟蹤，只能每隔一段時(shí)間，重新對(duì)準(zhǔn)陽(yáng)光 ，因此精度比較低?？胤攀教?yáng)跟蹤裝置對(duì)太陽(yáng)方位角進(jìn)行單向跟蹤，操作時(shí)，在太陽(yáng)能接受面板西側(cè)安放一偏重，作為太陽(yáng)能接受面板向西轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，并利用控放式自動(dòng)跟隨裝置對(duì)此動(dòng)力的釋放加以控制，使鏡面隨著太陽(yáng)的西偏而轉(zhuǎn)動(dòng)。 控放式太陽(yáng)跟蹤裝置由配重塊、彈簧、杠桿、制動(dòng)裝置、電磁鐵等部分組成。重力的控放由彈簧通過制動(dòng)裝置和杠桿來實(shí)現(xiàn)。電磁鐵的動(dòng)力又由硅太陽(yáng)能電池板供給。一但太陽(yáng)西移，遮光板的陰影隨之移動(dòng)，太陽(yáng)能電池便受到陽(yáng)光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā)出偏移信號(hào)。此時(shí)遮光板又重新?lián)踝￡?yáng)光，太陽(yáng)能電池進(jìn)入陰影區(qū)，電磁鐵釋放，完成跟蹤。因多云天氣太陽(yáng)被云層遮擋的時(shí) (aJ太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 較長(zhǎng)，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動(dòng)作。由于系統(tǒng)的慣性很大，如不采取措施往往會(huì)跟蹤過頭，產(chǎn)生較大的誤差 .有了多諧振蕩器后，不管轉(zhuǎn)多大的角度，電磁鐵始終按照吸合一釋放一吸合一釋放的間歇方式動(dòng)作，集熱裝置逐步向西旋轉(zhuǎn)，直至追上太陽(yáng)?？胤攀礁櫰鬟m合于聚光型的集熱裝置，如聚光型熱水器、太陽(yáng)灶等。其缺點(diǎn)是機(jī)構(gòu)只能做成單軸跟蹤器，不能自動(dòng)復(fù)位 (除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu) )因而不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求 。 （ 5） 光電式太陽(yáng)跟蹤裝置。與前 兩種跟蹤裝置相比，光電式跟蹤器可通過反饋消除誤差，控制較精確，電路也比較容易實(shí)現(xiàn)，受到普遍關(guān)注，其工作原理如圖 。 太陽(yáng)實(shí)際位置 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 集熱裝置 光敏傳感器 + 集熱裝置實(shí)驗(yàn)位置 圖 光電式太陽(yáng)跟蹤裝置原理 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 圖 比較式太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖 比較控制式太陽(yáng)跟蹤裝置。其中一對(duì)光電阻 (PI， P3)東西對(duì)稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測(cè)太陽(yáng)由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角 。在圓筒內(nèi)部，東、南、西、北四個(gè)方向上也分別布置 4只光電阻 。另一對(duì)光電阻 (P6， PS)南北對(duì)稱安裝在圓筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測(cè)太陽(yáng)的視高度，傳感器外形如圖 。當(dāng)太陽(yáng)光線以與傳感器板垂直的方向照射到 傳感器上，兩組光電阻 (PI， P3)， (P5， P7)接收到的光照度相同，比較電路的輸出值為零。而 (PS，P7)這一對(duì)光電阻受到了圓筒對(duì)環(huán)境散射光的屏蔽保護(hù)，它們接收的照度會(huì)出現(xiàn)差值，這就是偏離信號(hào)。當(dāng)太陽(yáng)光偏離了一個(gè)較大的角度時(shí) (陰雨天或者烏云過后 )，筒內(nèi)的傳感器可能接收不到太陽(yáng)光，筒外 的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號(hào)經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開始工作。 為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，首先要通過試驗(yàn)找出較為合適的光敏電阻。但提高光敏電阻的阻值，使得相應(yīng)的供電電源的電壓要變大才能驅(qū)動(dòng)跟蹤器，提高了能耗及其成本。理論上講，圓筒的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，跟蹤器的精度就越高。假設(shè)圓筒內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻同時(shí)直接受到太陽(yáng)光照射的情況下，長(zhǎng)圓筒允許太陽(yáng)光偏離角度的范圍為 A，如圖 ，即太陽(yáng)光線的偏離角度在 A的范圍內(nèi)，長(zhǎng)圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差 。當(dāng)使用長(zhǎng)圓筒時(shí)，假設(shè)太陽(yáng)光線偏離一個(gè)超出了范圍 A又在 B的范圍內(nèi)的角度，如圖 ，所示因?yàn)槠x角度超過了范圍 A，圓筒內(nèi)部?jī)蓚€(gè) 光電阻產(chǎn)生了照度差值，該信號(hào)經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽(yáng) ； 如果此時(shí)使用較短圓筒，偏離角度在 B的范圍內(nèi)則不會(huì)使內(nèi)部?jī)蓚€(gè)光電阻產(chǎn)生照度差，系統(tǒng)不會(huì)進(jìn)行跟蹤，因此此時(shí)系統(tǒng)的精度高于使用短圓筒的情況。 圖 不同長(zhǎng)度圓筒的太陽(yáng)光偏離角度方位示意圖 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 18 圖 “多元法”太陽(yáng)跟蹤裝置得傳感器結(jié)構(gòu) “多元法”太陽(yáng)跟蹤裝置。正中央的光敏電 阻與接收面垂直， Aa， Bb， Cc， Dd，助， Ff將圓分成 12 等份，它們分別代表單方向定位裝置?！岸嘣ā碧?yáng)定位裝置由 6個(gè)單方向定位裝置構(gòu)成，并且它們共用正中央的光敏電阻。 （ 6） 用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽(yáng)跟蹤裝置 。隨著天體光學(xué)的發(fā)展，十九世紀(jì)中葉之后，相繼出現(xiàn)了折軸望遠(yuǎn)鏡、定日鏡、定天鏡等。自人造天體發(fā)射后又出現(xiàn)了三軸、 四軸式跟蹤器。另一類是定日式，它將太陽(yáng)光反射到所設(shè)計(jì)的固定方向，太陽(yáng)作周日視運(yùn)動(dòng)，赤道裝置繞極軸按周日角速度勻速運(yùn)動(dòng)，抵消地球自轉(zhuǎn)，使儀器法向保持指向天球某一固定的赤經(jīng)方向，緯軸則保證儀器法向的赤緯和太陽(yáng)赤緯相同，實(shí)現(xiàn)跟蹤。 未來的太陽(yáng)跟蹤裝置應(yīng)采用全自動(dòng)跟蹤陣?？刂撇捎霉?、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過對(duì)太陽(yáng)光強(qiáng)弱的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的全自動(dòng)跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。限位裝置有東、兩、上、下四個(gè)極限限位功能，跟蹤精度高，范圍寬，有自動(dòng)返回功能。 （ 7）地平坐標(biāo)系跟蹤方法的應(yīng)用 國(guó)家太陽(yáng)能檢測(cè)中心開發(fā)了一套太陽(yáng)集熱器性能測(cè)試系統(tǒng)，其中就包括了太陽(yáng)跟蹤器。 ，因此需要對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。集熱器固定在臺(tái)架平面上 。減速器的傳動(dòng)比為 1:120，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 120176。 ，以步進(jìn)電機(jī) 的步距角計(jì)算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng) 1176。 /，山此可以計(jì)算集熱器方位角為 a時(shí)步進(jìn)電機(jī)發(fā)出的脈沖數(shù)為120a/ 。同步帶輪與絲杠的傳動(dòng)比為 2:1，當(dāng)步進(jìn)電 機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng) 1圈即 360176。 的步距角就可以算出相應(yīng)的脈沖數(shù)。該裝置是檢測(cè)中心作試驗(yàn)用的，試驗(yàn)主程序流程如圖 。然后根據(jù)太陽(yáng)當(dāng)前位置從零點(diǎn)處自動(dòng)快速指向太陽(yáng) 。自動(dòng)跟蹤子程序流程見圖 。由于影響跟蹤精度的因素很多，不僅跟當(dāng)?shù)鼐暥?、太?yáng)赤緯角、太陽(yáng)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。 圖 太陽(yáng)集熱跟蹤臺(tái) 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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(yáng)能做為一種新型能源是有效而可行的，太陽(yáng)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)。為本課題中太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)提供了 基礎(chǔ)和依據(jù) 。 對(duì)太陽(yáng)能的利用一般都是采用太陽(yáng)能采集裝置把太陽(yáng)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(yáng)能電池 板 把太陽(yáng)能量轉(zhuǎn)化為電能。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行即時(shí)跟蹤，使太陽(yáng)能接收裝置能夠始終正對(duì)太陽(yáng)，從而提高吸收效率。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)。 （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(yáng)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 。 控制部分 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) 太陽(yáng)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 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 本光伏發(fā)電系統(tǒng) 的目的即是 對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行有效的吸收，從而盡可能多的把太陽(yáng)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。 但是 太陽(yáng)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。因此，太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能電池發(fā)電器件，稱為太陽(yáng)能電池組件。 由于本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)要求最大限度的利用太陽(yáng)能，因此必須要研制一套機(jī)構(gòu)用來跟蹤太陽(yáng)的實(shí)時(shí)位置。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。 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)。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。并且，太陽(yáng)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。 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 25 在本系統(tǒng)中，要根據(jù)即時(shí)時(shí)間進(jìn)行太陽(yáng)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。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。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。本太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分選用的 AT89C51單片機(jī)。 蓄電池在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電方式為 ： 當(dāng)太陽(yáng)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)。 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。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。 本系統(tǒng)能對(duì)太陽(yáng)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。 作為在本太陽(yáng)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 ； 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 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 。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。無論太陽(yáng)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。 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。 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。所用開關(guān)器件，可以是繼電器，也可是 MOS晶體管。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。 （ 三 ） 太陽(yáng)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。 地球除了自轉(zhuǎn)外，還繞太陽(yáng)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。 27180。因此，地球處于運(yùn)行軌道不同位置時(shí)，陽(yáng)光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的變化。 每年的春分日 (3月 12日 )，太陽(yáng)從赤道以南到達(dá)赤道 (太陽(yáng)的赤緯占 ? =0176。在周日視運(yùn)動(dòng)中，太陽(yáng)出于正東而沒于正西，白晝和黑夜等長(zhǎng)。 ? (? 為觀察者當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥?)。 夏至日 (6月 2日 )，太陽(yáng)正午高度達(dá)到最大值 90176。 27180。夏至過后，太陽(yáng)正午高度逐日降低，同時(shí)白晝縮短，太陽(yáng)的升落又趨向正東和正西。 )，地球北半球的天文秋季 開始。 秋分過后，太陽(yáng)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(yáng)的高度逐日降低。 ? 23176。黑夜最長(zhǎng)，這時(shí)地球北半球天文冬季開始。 （ 1） Coper方程 太陽(yáng)光線與地球赤道面的交角就 是太陽(yáng)的赤緯角，以占表示。 27180。夏天最大變化到夏至日的 +23176。冬季最小變化到冬至日的 23176。.太陽(yáng)赤緯隨季節(jié)變化，按照 Coper方程， 由式 (41)計(jì)算 ? =(360? 365284n? ) () 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(yáng)赤緯為 : 太陽(yáng)能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 28 ? =? () （ 2） 太陽(yáng)角的計(jì)算 如圖 ，指向太陽(yáng)的向量 S?