【正文】 16Bdf f ????????? （ 36） 將上式帶入 32 式，求得理想情況下槽形拋物面聚光器幾何聚光比 C 的計(jì)算式為： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 2107 .316BCBff?? ??????? （ 37） 以上是當(dāng)接收器為圓管時(shí)得到的結(jié)果。 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(yáng)直射輻射才能工作。但是跟蹤裝置開(kāi)發(fā)困難、制造成本較高，這使得人們轉(zhuǎn)向?qū)ふ乙环N不用跟蹤裝置的聚光器。這種聚光器只聚光不成像，因而不需要跟蹤太陽(yáng)，至多只需要根據(jù)季節(jié)變化作少量?jī)A斜度的調(diào)整。其物理含義為 ：對(duì)任意一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器，對(duì)于在 θmax 范圍以內(nèi)的全部入射光線，都按最大聚光比聚集給接收器，超過(guò) θmax 范圍外的光線經(jīng)過(guò)拋物面鏡反射回太空。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。 θmax 之間的輻射都會(huì)被會(huì)聚到接收器上。設(shè)計(jì) CPC時(shí)要注意這些問(wèn)題。 圖 35菲涅爾透鏡聚光方式 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 折射式菲涅爾聚光器的工作原理相對(duì)反射式的聚光器來(lái)說(shuō)較簡(jiǎn)單。 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(yáng)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。由 39 式可知，齒棱離中心距離越遠(yuǎn)，棱角Φ的數(shù)值就越大。齒棱越窄，焦斑區(qū)域的面積就越小 ，菲涅爾聚光器的精度就越高。不同類型的聚光器，性能還是有一定的區(qū)別，表 31 比較了這幾種工程上常用太陽(yáng)能聚光器的性能參數(shù) [9]。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。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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。 為了保證陽(yáng)光能垂直的入射到表面，菲涅爾聚光器需要精度較高的跟蹤裝置輔助工作。因?yàn)檫@一優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在國(guó)際上也在集中發(fā)展薄型菲涅爾聚光器。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(kāi)發(fā)應(yīng)用。 CPC 聚光器的實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì) 從理論上講，增大 CPC 聚光器的開(kāi)口面積，其聚光比 C 也越大，但同時(shí)高度也跟著增大，在制造時(shí)消耗較多材料，這從大規(guī)模太陽(yáng)能應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看是一個(gè)比較重要的問(wèn)題。比如在 CPC 反光板的的高度被截去 40%，而聚焦比只不過(guò)減少了 12%左右，所以可以對(duì) CPC 聚光器進(jìn)行截短 40%～60%，使高度 h 變成 h39。 同時(shí)由于聚光度過(guò)大會(huì)引起光伏電池的轉(zhuǎn)換率下降，所以聚焦比也無(wú)須過(guò)大。 。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?！?65176。使用聚光器后使光伏電池的轉(zhuǎn)換率由原來(lái)的 10%～ 14%提高到 20%～ 38%。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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。就某一條曲線而言，光伏電池的端電壓變化時(shí)，其工作點(diǎn)也會(huì)沿著曲線變化。最大功率點(diǎn)跟蹤控制具體到 P/V特性曲線上，就是使光伏電池端電壓始終處于 VM 附近 [10]。 電壓反饋法 從光伏電池的 PV 曲線上可以看到，各個(gè)曲線的最大功率點(diǎn)幾乎分布于一條垂直線的兩側(cè)，這說(shuō)明電池的最大功率輸出點(diǎn)的對(duì)應(yīng)電壓大致在某個(gè)值附近，通過(guò)控制輸出電壓的大小，使得光伏電池始終工作在最大功率點(diǎn)附近?？刂圃韴D如 41： 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)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)。采用電壓反饋法控制的比不帶 MPPT 的直接耦合工作方式可獲得多至 20%的電能。這種辦法不夠精確，而且需要人工干預(yù)，不利于生活上使用，但具有簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)； b）事先將不同溫度下測(cè)得的 VM 值存儲(chǔ)于微處理器中，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，微處理器通過(guò)陣列上的溫度傳感器獲取陣列溫度，通過(guò)查表確定當(dāng)前的 VM 值。 擾動(dòng)法 擾動(dòng)法主要根據(jù)光伏電池的 PV 特性，通過(guò)擾動(dòng)端電壓來(lái)尋找 MPP，是目前實(shí)現(xiàn)MPPT 常用的方法之一。通過(guò)不斷擾動(dòng)使光伏電池逐步向最大功率點(diǎn)逼近。但仍有下列缺點(diǎn)： a)始終有△ U 的存在，其輸出會(huì)有一定的微小波動(dòng)，在最大功率跟蹤過(guò)程中將導(dǎo)致些微功率損失。 c)有時(shí)受電壓 、電流的突變影響，會(huì)發(fā)生程序在運(yùn)行中的失序（“誤判”）現(xiàn)象。如下所示，通過(guò)光伏電池陣列 PV 曲線可知最大功率點(diǎn) PM 處的斜率為零，即（ 41）、（ 42）式成立，將（ 42）式進(jìn)行推算便得到（ 43）式。其控制的流程圖如圖 44 。 圖 44 電導(dǎo)增量法的流程圖 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 最大功率點(diǎn)控制方法的選擇及改進(jìn) — 斷續(xù)擾動(dòng)法 如前面所述，電壓反饋法雖然簡(jiǎn)單無(wú)擾動(dòng)，但不能對(duì)最大功率點(diǎn)電壓 VM 參考值進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，應(yīng)用范圍受到很大的限制。針對(duì)這些問(wèn)題，根據(jù)最大功率跟蹤的 要求，本文將兩者的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，提出一種改進(jìn)方法 — 斷續(xù)擾動(dòng)觀察法。通過(guò)不斷擾動(dòng)使陣列工作于最大功率點(diǎn)附近。當(dāng)溫度的變化幅度超過(guò)所設(shè)置的值時(shí)，再啟動(dòng)擾動(dòng)搜索。 內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 第五章 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 太陽(yáng)在一天中東出西落，一年之中春、夏、秋、冬位置不定。實(shí)踐表明，一般平板光伏電池采用跟蹤裝置后，平均輸出能量可提高 30%以上。 自動(dòng)跟蹤器的研 究概況 國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤器的研究現(xiàn)狀 目前我國(guó)國(guó)內(nèi)的跟蹤器基本有兩大類：一類是根據(jù)地球繞日運(yùn)行規(guī)律計(jì)算跟蹤運(yùn)動(dòng)軌跡的主動(dòng)式跟蹤器；另一類是實(shí)時(shí)探測(cè)太陽(yáng)對(duì)地位置，控制對(duì)日角度的被動(dòng)式跟蹤器。 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(yáng)光接收器的西 側(cè)放置一偏重，作為太陽(yáng)光接收器向西的轉(zhuǎn)動(dòng)力。該機(jī)構(gòu)成本低廉，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。而且跟蹤器不能自動(dòng)復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機(jī)構(gòu)，這又使得跟蹤器的成本提高。其特點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，但由于時(shí)鐘累積誤差不斷增加，系統(tǒng)的跟蹤精度很低；系統(tǒng)需外接電源，日夜不停的運(yùn)轉(zhuǎn)，浪費(fèi)能源。所以，它們一般用于天文臺(tái)和氣象臺(tái)對(duì)太陽(yáng)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。 1）壓差式跟蹤器 壓差式跟蹤器的基本結(jié)構(gòu)如圖 52 所示，其原理為：當(dāng)入射太陽(yáng)光發(fā)生偏斜時(shí)，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會(huì)產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。該機(jī)構(gòu)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作費(fèi)用低，純機(jī)械控制，不需電子控制部分及外接電源。 圖 52 壓差式跟蹤 器工作原理圖 2）光敏元件比較式跟蹤器 光敏元件比較式跟蹤器利用光敏元件在光照時(shí)性能參數(shù)發(fā)生變化的原理，將四個(gè)完全相同的光敏元件分別放置于采光板的東南西北方向邊沿處。當(dāng)太陽(yáng)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。但是這類跟蹤器價(jià)格昂貴，且不能適應(yīng)自然 界中光線的變化，跟蹤效果不太理想。跟蹤的目的在于提高入射能量密度，如果精度低，跟蹤效內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 率低，跟蹤裝置還額外提高了成本，在太陽(yáng)能利用系統(tǒng)中添加跟蹤器就失去了原來(lái)的意義。 被動(dòng)式跟蹤系統(tǒng)不受地理位置的限制，跟蹤精度較高，具有很大的發(fā)展?jié)摿?。但這種跟蹤器只是從理論上來(lái)看比較理想，要把理論變成實(shí)際產(chǎn)品，要開(kāi)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(wèn)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(lái)說(shuō)還是很高。如何在保證跟蹤效果基礎(chǔ)上盡量的降低成本，是本課題組重點(diǎn)研究的問(wèn)題之一。在大自然中可能出現(xiàn)：①太陽(yáng)的由東向西的運(yùn)動(dòng)（相對(duì)地球）。②晝夜更替。這種情況就要求跟蹤平臺(tái)在早上能夠復(fù)位。這樣就要求跟蹤平臺(tái)的傳感探測(cè)單元能夠在早上反應(yīng)出太陽(yáng)光線的大范圍變化，快速?gòu)?fù)位。太空中的云朵會(huì)遮住太陽(yáng)，這時(shí)跟蹤平臺(tái)的傳感單元無(wú)法反映出太陽(yáng)光線的變化，當(dāng)云彩過(guò)后太陽(yáng)可能偏離較大的角度。設(shè)計(jì)跟蹤平臺(tái)的時(shí)候要考慮到以上要求。 新型跟蹤平臺(tái)的開(kāi)發(fā) 為了解決上一小節(jié)所述問(wèn)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(yáng)跟蹤平臺(tái)；另一種是通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的太陽(yáng)跟蹤平臺(tái)。通過(guò)采用復(fù)精度探測(cè)單元，滿足太陽(yáng)復(fù)雜多變的照射情況要求，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)跟蹤，這是本系統(tǒng)的核心技術(shù)。 該跟蹤平臺(tái)跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮了經(jīng)濟(jì)性問(wèn)題，在保證工作性能的同時(shí)大大降低了成本提高了性價(jià)比。 圖 53 跟蹤平臺(tái)系統(tǒng)圖 本平臺(tái)的工作原理是：在日光下，平臺(tái)的自適應(yīng)復(fù)精度探測(cè)單元自動(dòng)搜索太陽(yáng)的位置，系統(tǒng)自動(dòng)將太陽(yáng)方位與平臺(tái)所正對(duì)著的方位進(jìn)行比較，當(dāng)兩者不一 致時(shí)，探測(cè)單元內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書 發(fā)出信號(hào)，信號(hào)經(jīng)放大處理傳至控制單元控制普通直流電機(jī)，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)跟蹤太陽(yáng)；粗跟蹤找到太陽(yáng)的大致方位后，精跟蹤自動(dòng)對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行精確定位，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)行至精確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)為止。傳統(tǒng)比較跟蹤器的傳感探測(cè)單元存在著很大問(wèn)題，不能滿足復(fù)雜多變大氣的需要。但是在現(xiàn)實(shí)情況中，如果光敏元件沒(méi)有受到適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，在很大程度上就會(huì)受到環(huán)境散射光的影響，跟蹤器只能對(duì)太陽(yáng)光線較大的變化 做出反應(yīng)，跟蹤精度大大降低。但由于加上了這些屏蔽結(jié)構(gòu)，當(dāng)面臨烏云、陰雨天氣過(guò)后或者晝夜交替等太陽(yáng)光線偏離較遠(yuǎn)的情況時(shí)，太陽(yáng)位置變化很大，屏蔽結(jié)構(gòu)會(huì)屏蔽太陽(yáng)光線的變化，光敏元件就不能做出反應(yīng)，跟蹤器不能及時(shí)跟蹤上太陽(yáng)光線。在上面章節(jié)中，已經(jīng)討論了復(fù)雜多變的大氣對(duì)跟蹤平臺(tái)提出的要求，現(xiàn)有的跟蹤器是無(wú)法完全滿足這些要求的。 自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)位置探測(cè)單元主要是由 8 只經(jīng)過(guò)挑選的性能優(yōu)良的光敏元件和 8只電阻組成。 圖 54 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 自適應(yīng)復(fù)精度太陽(yáng)位置探測(cè)單元的工作原理：以東西方向（即方位角）為例，假設(shè)太陽(yáng)的高度角是不變的，即假設(shè)暗筒在高度方向始終對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定的精度范圍內(nèi)，太陽(yáng)偏離不太遠(yuǎn)時(shí)，與 G4 并聯(lián)的 G2（暗筒屏蔽了環(huán)境散射光干擾）開(kāi)始起主導(dǎo)作用，使暗筒精確對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)。高度角的跟蹤基本原理及工作方式與之類似，在此省略。傳統(tǒng)的跟蹤器只是一套太陽(yáng)探測(cè)單元，不能滿足太陽(yáng)光線復(fù)雜多變的要求，不能實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的完全自動(dòng)跟蹤。探測(cè)單元的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只是多加了一些廉價(jià)的電子元件，跟蹤平臺(tái)的性價(jià)比較高。但是光敏元件對(duì)太陽(yáng)光線做出的反應(yīng)是本身參數(shù)的改變（例如電阻值發(fā)生改變），而不是驅(qū)動(dòng)信號(hào)。 不同的光敏元件對(duì)光線變化做出的反應(yīng)是不同的，相應(yīng)的信號(hào)處理電路也要根據(jù)元件本身的性能進(jìn)行設(shè)計(jì)，所以光敏元件的選擇是信號(hào)處理控制單元設(shè)計(jì)工作的第一步。 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。用光敏電阻實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集時(shí)，其輸出信號(hào)只與照射在兩個(gè)光敏電阻上光強(qiáng)的相對(duì)值有關(guān)，不受外界環(huán)境的影響，增加了裝置的抗干擾能力。 由上一小節(jié)知，光敏電阻將陽(yáng)光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳柚档淖兓?，信?hào)處理電路處理的是電阻的變化。針對(duì)這些要求，本課題專門設(shè)計(jì)了相應(yīng)的信號(hào)處理電路。窗口形成電路主要有四個(gè)電壓比較器及附屬元件組成。 VDD 和 Vss（值為 0）為比較器的正、 負(fù)電源。根據(jù)輸入信號(hào)電壓 Vi隨著阻值的變化作線性變化這一規(guī)律，得出比較器的輸入 輸出波形如圖 56 所示。 圖 57 單組窗口比較電路圖 單組窗口比較電路工作原理：當(dāng) Vi在 VREF(H)和 VREF(L)之間時(shí)，比較器 A 與 B 皆輸出高電平，與非門輸出低電平。當(dāng) Vi在窗口范圍以內(nèi)，無(wú)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(guò)這種方法對(duì) Vi 就加以區(qū)別了，其真值表如表 51 所示。當(dāng)兩個(gè)光敏電阻受到的照度不同時(shí)，輸入電壓 Vi會(huì)發(fā)生改變，隨著照度差的增加， Vi逐漸超過(guò)了 VREF(H)∶ VREF(L)這一范圍，此時(shí)窗口電路會(huì)輸出一個(gè)信號(hào)驅(qū)動(dòng)跟蹤平臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的跟蹤。但是步進(jìn)電機(jī)也有較大的缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)輸出力矩小且昂貴，會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的性價(jià)比下降。在滿足性能要求的情況下，本方案選擇性價(jià)比較高的直流電機(jī)。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)。除此之外，還要求加到電樞兩端的電壓能夠根據(jù)需要改變極性以實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當(dāng)要求電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，使 A 端電位上升， B 端電