光伏發(fā)電中的追日系統(tǒng)

1、目錄1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 12設(shè)計(jì)應(yīng)用背景 12.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 12.2提高太陽能的利用率 12.3跟蹤技術(shù)國外現(xiàn)狀 12.4目前跟蹤太陽的方式 23難點(diǎn)分析 24實(shí)施方案 24.1整體跟蹤設(shè)計(jì) 24.1.1 系統(tǒng)組成 34.1.2系統(tǒng)總體流程 44.1.3光電跟蹤的原理分析 44.1.4光電跟蹤的具體實(shí)施方法 54.2檢測(cè)電路的傳感器選擇 54.3優(yōu)缺點(diǎn)分析以及成本 75收獲與體會(huì) 7參考文獻(xiàn) 8光伏發(fā)電中的追日系統(tǒng)1設(shè)計(jì)任務(wù)和要求在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為實(shí)現(xiàn)最大的發(fā)電效率，要求太陽能電池板與日光投射方 向垂直。設(shè)計(jì)一個(gè)滿足上述要求的追日系統(tǒng)，確保太陽能電池板有最佳的工作角度。2設(shè)計(jì)應(yīng)用背

2、景2.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展隨著人類無止境的開發(fā)地球能源，人類所面臨的資源枯竭危機(jī)不斷加深，加上地球生 態(tài)環(huán)境的不斷惡化，進(jìn)入新世紀(jì)以來，人類已經(jīng)遭遇了前所未有的生存危機(jī)。人類只有一 個(gè)地球，其生態(tài)系統(tǒng)是不可能再造的。早在17世紀(jì)初，人類就已經(jīng)意識(shí)到這一問題，并在新能源探索上不斷做出努力，特別是太陽能利用領(lǐng)域取得輝煌成就。目前光伏發(fā)電居世界各國前列的是日本、德國和美國。中國光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)于20世紀(jì)70年代起步，90年代中期進(jìn)入穩(wěn)步發(fā)展時(shí)期。太陽電池及組件產(chǎn)量逐年穩(wěn)步增加。經(jīng)過 30多年的努力，已迎來了快速發(fā)展的新階段。在“光明工程”先導(dǎo)項(xiàng)目和“送電到鄉(xiāng)”工 程等國家項(xiàng)目及世界光伏市場(chǎng)的有力拉動(dòng)下，我國

3、光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。太陽能是一種可再生能源，它具有廣泛性、安全性、巨大性和長久性，且不受任何人 的控制與壟斷，是無私、免費(fèi)、公平地給予人類的。在常規(guī)能源供給緊和環(huán)保壓力不斷增 大的背景下，世界上許多國家掀起了開發(fā)利用太陽能的熱潮，使太陽能的應(yīng)用領(lǐng)域不拓展，已滲透到我們生活的每一個(gè)角落。2.2提高太陽能的利用率太陽能是一種低密度、間歇性、空間分布不斷變化的能源，這就對(duì)太陽能的收集和利用提出了更高的要求。盡管相繼研究出一系列的太陽能裝置如太陽能熱水器、太陽能干 燥器、太陽能電池等等，但太陽能的利用還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，究其原因，主要是利用率不高。就 目前的太陽能裝置而言，如何最大限度的提高太陽能的利用率，

4、仍為國外學(xué)者的研究熱點(diǎn)。 解決這一問題應(yīng)從兩個(gè)方面入手2，一是提高太陽能裝置的能量轉(zhuǎn)換率，二是提高太陽能 的接收效率，前者屬于能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術(shù)則可解決。太 陽跟蹤系統(tǒng)為解決這一問題提供了可能。不管哪種太陽能利用設(shè)備，如果它的集熱裝置能 始終保持與太垂直，并且收集更多方向上的太，那么，它就可以在有限的使用面積收集更 多的太陽能。但是太陽每時(shí)每刻都是在運(yùn)動(dòng)著，集熱裝置若想收集更多方向上的太，那就 必須要跟蹤太陽。大學(xué)建筑系的教授研究了太照角度與太陽能接收率的關(guān)系，理論分析表 明：太陽的跟蹤與非跟蹤，能量的接收率相差37.7%,精確的跟蹤太陽可使接收器的接收效率大大提高

5、，進(jìn)而提高了太陽能裝置的太陽能利用率，拓寬了太陽能的利用領(lǐng)域。2.3跟蹤技術(shù)國外現(xiàn)狀國現(xiàn)狀：(1) 1994年德國北部，采取了單軸太陽能跟蹤裝置的太陽能廚房開始應(yīng)用(2) 1997年研制了單軸太陽能跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器的接受效率提高了。國外現(xiàn)狀：(1) 2009年電子科技大學(xué)徐靜以森林防火為應(yīng)用目的對(duì)獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)及其跟蹤 做了深入探討。與以往類似系統(tǒng)的不同之處在于將一天中可能出現(xiàn)的天氣細(xì)分為晴天。多云和陰雨三 種不同的狀況，并確定了應(yīng)對(duì)上述三種不同天氣狀況的相應(yīng)跟蹤模式。(2) 2012年師大學(xué)路博對(duì)高精度的太陽跟蹤方法進(jìn)行了研究，并用選取的高

6、精度的天 文公式計(jì)算結(jié)果對(duì)太陽位置進(jìn)行初定位，通過對(duì)多種光電元件各自特性的分析，設(shè)計(jì)了由 硅光電池構(gòu)成的太陽方位檢測(cè)傳感器用來彌補(bǔ)初定位的誤差，克服了兩種跟蹤方法各自的 缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了精確跟蹤。2.4目前跟蹤太陽的方式時(shí)鐘式太陽跟蹤裝置：此裝置是一種被動(dòng)式裝置有單軸和雙軸兩種類型系統(tǒng)根據(jù)時(shí)間 將方位角和仰俯角分為幾等份在固定時(shí)間段通過控制器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按固定的角度旋轉(zhuǎn)進(jìn)而 跟蹤太陽。最大功率跟蹤裝置：本方法以動(dòng)態(tài)平衡追蹤太陽能系統(tǒng)的最大功率，本方法特征是太 陽能板與直流直流升降壓轉(zhuǎn)換器間聯(lián)接一個(gè)瞬間功率型超級(jí)電容作為能量的動(dòng)態(tài)平衡器， 將太陽能板產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)換成電容器形態(tài)的電能進(jìn)行最大功率演算可大幅

7、度簡(jiǎn)化演算程 序提 升追蹤演算的實(shí)時(shí)性與可靠度提高太陽能系統(tǒng)效率。伺服光電式跟蹤裝置：此類裝置使用光敏傳感器如硅光電管硅光電管要靠近遮光板安裝調(diào) 整遮光板的位置使遮光板對(duì)準(zhǔn)太陽硅光電池處于陰影區(qū)。當(dāng)太陽西移時(shí)遮光板的陰影偏移 硅光電管受到直射輸出一定值的微電流該微電流作為偏差信號(hào)經(jīng)放大電路放大，由 機(jī)構(gòu)調(diào)整度使跟蹤裝置對(duì)準(zhǔn)太陽完成跟蹤。以上每種跟蹤方式都可完成對(duì)太陽的跟蹤但這些方式都是被動(dòng)式太陽跟蹤方式只能 被動(dòng)地接收太陽輻射作為驅(qū)動(dòng)基礎(chǔ)時(shí)鐘式靈敏度不高不能高效地利用太陽能最大功率和 光電跟蹤裝置靈敏度高結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較為方便。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了基于光電傳感器的一中跟蹤方式，精確定位，最大限度地利用

8、太 陽能。3難點(diǎn)分析采用合適的傳感器感知太陽的轉(zhuǎn)動(dòng)并且轉(zhuǎn)換角度 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)怎樣達(dá)到靈敏度最高合理的檢測(cè)值的參數(shù)的設(shè)定采集裝置受天氣影響的情況狀況4實(shí)施方案4.1整體跟蹤設(shè)計(jì)將面板固定在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)上，將光敏器件部署在面板的不同位置，通過各位置反饋的光強(qiáng)信號(hào)差異，獲得當(dāng)前的方位信息。同時(shí)，使用單片機(jī)對(duì)光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行采樣，采集結(jié)果通 過一系列運(yùn)算后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)控制信號(hào)，控制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，進(jìn)而保證感光面板正對(duì)太陽直射的 方向。實(shí)現(xiàn)這個(gè)方案，主要解決兩方面問題，一是光敏器件的選擇，二是轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的搭建 在光敏器件的選擇方面，我們嘗試了光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管。由于考慮到裝 置的實(shí)用性和性價(jià)比，通過設(shè)計(jì)了不同的

9、光照實(shí)驗(yàn)，我們檢測(cè)不同光敏器件的感光效果。 在轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的搭建方面，我們考慮了自制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)和云臺(tái)。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，由于受工藝、 結(jié)構(gòu)和控制接口等多因素的制約，我們放棄了自制轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)的方案，選擇了云臺(tái)作為轉(zhuǎn)動(dòng) 平臺(tái)。光照光信號(hào)接收信號(hào)轉(zhuǎn)換接收最強(qiáng)光照3單片機(jī)采樣比較圖4-1系統(tǒng)整體框圖4.1.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu)智能型太陽能跟蹤裝置主要由微處理器控制單元、光電檢測(cè)單元、 液晶顯示模塊、存儲(chǔ)單元和鍵盤及相應(yīng)的外圍電路、手動(dòng)控制單元等組成。1）鍵盤及顯示屏。設(shè)有鍵盤和一塊液晶顯示器（liquid crystal display，LCD），主要用于手動(dòng)控制和人機(jī)交互，便于用戶設(shè)置時(shí)間和位置參數(shù)，并對(duì)系

10、統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。2）檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊安裝在集熱器面板或者與集熱器平行的面板上，主要用于檢測(cè) 系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的環(huán)境條件呵。其功能可分為2個(gè)方面： 檢測(cè)環(huán)境光線強(qiáng)弱程度，以區(qū)別白晝和夜晚；在陰天光照強(qiáng)度不夠時(shí)，系統(tǒng)檢測(cè)到 信號(hào)后自動(dòng)處于待機(jī)狀態(tài)，避免不必要的能源浪費(fèi)，從而達(dá)到系統(tǒng)的自動(dòng)控制。 提供水平和俯仰方向上的誤差信號(hào)。 在系統(tǒng)正常跟蹤狀態(tài)時(shí)，跟蹤方式為程控跟蹤， 由于計(jì)算誤差和機(jī)械誤差的存在，在系統(tǒng)長期運(yùn)行后，累積誤差無法消除。檢測(cè)模塊檢測(cè) 到累積誤差后，發(fā)出中斷信號(hào)，微控制芯片響應(yīng)中斷，發(fā)出相應(yīng)指令控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作以 修正誤差，從而達(dá)到閉環(huán)控制。3）電源電路。電源電路主要為微控制器、外

11、圍器件以及控制系統(tǒng)中所用到的其他芯片提供工作電源。由于采用的 ARM微控制器為LPC2290而它具有獨(dú)立的模擬電源和數(shù)字電 源，為降低出錯(cuò)幾率，模擬電源和數(shù)字電源應(yīng)該隔離。因此接入的220V電源經(jīng)濾波后分為2路：一路作為步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器工作電源；一路經(jīng)整流后為系統(tǒng)提供+5V和+15V電源。微控制器的2組電源在+5V的基礎(chǔ)上經(jīng)過一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器分別輸出 +3.3V和+1.8V。4）存儲(chǔ)模塊。采用的LPC2290片只有16kB的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（static RAMSRAM） 沒有可以利用的片只讀存儲(chǔ)器（read only memory ，ROM或 FLASH存儲(chǔ)器，因此需要對(duì)其 進(jìn)行擴(kuò)展，用以存儲(chǔ)

12、操作系統(tǒng)和運(yùn)行程序，以防斷電后丟失程序。5）執(zhí)行機(jī)構(gòu)。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是驅(qū)動(dòng)模塊、步進(jìn)電機(jī)以及相應(yīng)的支撐結(jié)構(gòu)。驅(qū)動(dòng)模塊接 受微控制器的輸出脈沖后，經(jīng)光電隔離后進(jìn)行放大循環(huán)輸出。步進(jìn)電機(jī)能夠直接進(jìn)行數(shù)字控制，將脈沖序列轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的角位移，即接受一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)過一個(gè)角位移 支撐結(jié)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)輸出的功率降速增距后，分別轉(zhuǎn)化為水平方向的低速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和垂直方向的俯仰運(yùn)動(dòng)以跟隨太陽。4.1.2系統(tǒng)總體流程圖4-2總體流程圖4.1.3光電跟蹤的原理分析在日照環(huán)境下，通過光能檢測(cè)模塊比較各方位日照強(qiáng)度，控制云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，使光能檢測(cè) 模塊正對(duì)光源，實(shí)現(xiàn)追日功能。本裝置具有高效、簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，能應(yīng)用于太陽能領(lǐng)域，以

13、 提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。光電追蹤(閉環(huán))是使用光電傳感器作為探測(cè)元件，實(shí)時(shí)探測(cè)太陽位置并將信息送達(dá)核 心處理芯片進(jìn)行處理后來完成對(duì)太陽位置的探測(cè)和跟蹤。當(dāng)太有偏移時(shí)，根據(jù)感光量的不同，導(dǎo)致輸出電壓的不同，根據(jù)輸出電壓確定步進(jìn)電 動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，控制相關(guān)的繼電器動(dòng)作，接通步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn)動(dòng)光強(qiáng)檢測(cè)電路中是對(duì)是否啟動(dòng)跟蹤進(jìn)行判斷，太陽能電池板產(chǎn)生電能后存儲(chǔ)在蓄電池 里作為整個(gè)系統(tǒng)的電源，同時(shí)為了防止蓄電池過充損壞蓄電池，加了一個(gè)充電控制器對(duì)其 進(jìn)行控制。本系統(tǒng)采用云臺(tái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由蓄電池給云臺(tái)供電，電池板固定在云臺(tái)上， 云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)就會(huì)帶動(dòng)電池板運(yùn)動(dòng)，是太陽能始終對(duì)準(zhǔn)太陽，實(shí)現(xiàn)到電池板的垂直照射，完成 跟

14、蹤。4.1.4光電跟蹤的具體實(shí)施方法光電跟蹤的實(shí)施在高度角和方位角跟蹤時(shí)分別利用兩只 2CU型光電二極管作為太陽位置的敏感元件, 4只光電二極管安裝在同一個(gè)半球形的傳感器殼。每對(duì)二極管被中間隔板隔開，對(duì)稱地放 在隔板兩側(cè)。傳感器俯視圖如下圖所示。圖4-3跟蹤太陽傳感器的俯視圖當(dāng)鏡面對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，太平行于隔板，兩只二極管的感光量相等，輸出電壓相同。當(dāng)太略有偏移時(shí)，隔板的陰影落在其中一只二極管上，使兩只二極管的感光量不等， 輸出電壓也不等。根據(jù)輸出電壓確定步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向，控制相關(guān)的繼電器動(dòng)作，接通步進(jìn)電機(jī)使其轉(zhuǎn) 動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)到太重新平行于隔板時(shí)，兩只二極管輸出相同電壓加點(diǎn)器斷開，電機(jī)停轉(zhuǎn)。有夜晚自動(dòng)恢

15、復(fù)原始排放狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)采集的實(shí)時(shí)環(huán)境光強(qiáng)和實(shí)時(shí)時(shí)間都小于設(shè)定的 最小經(jīng)濟(jì)發(fā)電光強(qiáng)和傍晚時(shí)間時(shí)，平面鏡陣列恢復(fù)到原始位置，等待第二天的到來光電二極管在設(shè)計(jì)和制作時(shí)盡量使 PN結(jié)的面積相對(duì)較大，以便接收入射光。光電二 極管是在反向電壓作用下工作的， 沒有光照時(shí)，反向電流極其微弱，叫暗電流；有光照時(shí), 反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強(qiáng)度越大，反向電流也越大。光的變化 引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，成為光電傳感器件。圖4-4硅光二極管信號(hào)放大電路4.2檢測(cè)電路的傳感器選擇電流/電壓檢測(cè)主要傳感器件是霍爾元件；環(huán)境溫度檢測(cè)是采用溫度傳感器實(shí)現(xiàn)的 太強(qiáng)和太陽能電池組件

16、表面光強(qiáng)的檢測(cè)：光電池作為光強(qiáng)傳感器，只要測(cè)出其輸出短路電 流和表變溫度即可推算出當(dāng)時(shí)其表面所受的輻射光強(qiáng)。(1)電流/電壓檢測(cè)電流/電壓檢測(cè)主要傳感器件是霍爾元件，采用磁平衡原理。檢測(cè)精度高，線性度好， 而檢測(cè)電路與被檢測(cè)電路完全隔離。電流互感器將被測(cè)電流轉(zhuǎn)換成0mA50mA標(biāo)準(zhǔn)電流,并以電流源方式輸出。電壓傳感器是通過大功率電阻把電壓輸入變換成電壓傳感器的 0mA50 m標(biāo)準(zhǔn)電流，并以電流源方式輸出。為了獲取可供 A/D采集卡采集的電壓信號(hào)，還 必須外加電壓取樣電路，將電流信號(hào)轉(zhuǎn)變成電壓信號(hào)。圖4.8電流電壓檢測(cè)電路(2)光強(qiáng)檢測(cè)太強(qiáng)和太陽能電池組件表面光強(qiáng)的檢測(cè)非常重要，是系統(tǒng)太陽能電池組件性能和聚光 發(fā)電效率的一個(gè)重要參數(shù)。在