畢業(yè)設(shè)計(jì)太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書</p><p><b>　　第1頁</b></p><p><b>　　第2頁</b></p><p><b>　　第3頁</b></p><p><b>　　第4頁</b></p><p&

2、gt;　太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）要求及原始數(shù)據(jù)（資料）：要求設(shè)計(jì)能夠自動(dòng)跟蹤太陽以調(diào)整太陽能電池板光照攝射角度的系統(tǒng)，以提高太陽能電池的光—電能量轉(zhuǎn)化率。1、太陽能電池板在0—180℃內(nèi)自動(dòng)跟蹤太陽，使入射光垂直照射；2、根據(jù)季節(jié)變化太陽能電池板可調(diào)整維度；3、該設(shè)計(jì)的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)使用此太陽能電池板供電力工作；4、使用該系統(tǒng)后應(yīng)使用太陽能電池板提高效率≥5% ；5、此

3、設(shè)計(jì)系統(tǒng)能夠長期室外運(yùn)行。</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要- 1 -</b></p><p>　　一、概述- 3 -</p><p>　?。ㄒ唬┠茉磁c環(huán)保- 3 -</p><p>　　1.能源短缺- 3 -</

4、p><p>　　2.環(huán)境污染- 3 -</p><p>　　3.溫室效應(yīng)- 3 -</p><p>　?。ǘ┨柲艿奶攸c(diǎn)- 4 -</p><p>　?。ㄈ﹪鴥?nèi)外太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀- 5 -</p><p>　　（四）幾種主要的太陽能發(fā)電裝置- 6 -</p><p>　　1.塔式太陽能

5、發(fā)電系統(tǒng)- 6 -</p><p>　　2.聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)- 7 -</p><p>　　3.碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)- 8 -</p><p>　　（五）太陽能跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀- 10 -</p><p>　?。ò耍┍菊滦〗Y(jié)- 22 -</p><p>　　二、跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想及框架- 23 -</p&g

6、t;<p>　　（一）跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求- 23 -</p><p>　?。ǘ└櫹到y(tǒng)的組成- 23 -</p><p>　　1.太陽能采集裝置- 24 -</p><p>　　2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)- 24 -</p><p>　　3.控制部分- 25 -</p><p>　　4.貯能裝置- 25

7、-</p><p>　　5.逆變器- 25 -</p><p>　　6.控制器- 26 -</p><p>　?。ㄈ?太陽照射規(guī)律- 26 -</p><p>　　1.地球圍繞太陽的運(yùn)行規(guī)律- 26 -</p><p>　　2.太陽高度角和方位角的確定- 27 -</p><p>　

8、　（三）本章小結(jié)- 30 -</p><p>　　三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì)- 31 -</p><p>　　（一）整體框架的設(shè)計(jì)- 31 -</p><p>　?。ǘp速裝置的選型- 32 -</p><p>　　（三）驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型- 33 -</p><p>　?。ㄋ模┍菊滦〗Y(jié)- 34 -</p>

9、;<p>　　四、控制部分的設(shè)計(jì)- 36 -</p><p>　?。ㄒ唬┛刂破? 36 -</p><p>　　1.匹配系統(tǒng)- 36 -</p><p>　　2.并聯(lián)調(diào)節(jié)器- 38 -</p><p>　　3.串聯(lián)調(diào)節(jié)器- 39 -</p><p>　?。ǘ﹩纹瑱C(jī)的選型- 40 -</

10、p><p>　　1.結(jié)構(gòu)框圖:- 40 -</p><p>　　2.AT89C51的引腳- 41 -</p><p>　?。ㄈ┯?jì)時(shí)芯片的選型- 45 -</p><p>　?。ㄋ模┎竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選型- 47 -</p><p>　?。ㄎ澹┱w電路圖的設(shè)計(jì)- 50 -</p><p>

11、　?。┍菊滦〗Y(jié)- 50 -</p><p>　　五 程序部分的設(shè)計(jì)- 51 -</p><p>　?。ㄒ唬┝鞒虉D設(shè)計(jì)- 51 -</p><p>　　（二）程序設(shè)計(jì)- 53 -</p><p>　?。ㄈ┍菊滦〗Y(jié)- 57 -</p><p>　　結(jié)論與展望- 58 -</p><p&

12、gt;　　參考文獻(xiàn)- 59 -</p><p><b>　　致謝- 60 -</b></p><p>　　外文文獻(xiàn)- 61 -</p><p>　?。ㄒ唬┰? 61 -</p><p>　?。ǘ┓g- 66 -</p><p><b>　　摘要</b></

13、p><p>　　隨著以常規(guī)能源為基礎(chǔ)的能源結(jié)構(gòu)隨著資源的不斷耗用將越來越適應(yīng)可持續(xù)發(fā)展的需要，包括太陽能在內(nèi)的可再生資源將會(huì)越來越受到人們的重視。利用潔凈的太陽光能，以半導(dǎo)體光生伏打效應(yīng)為基礎(chǔ)的光伏發(fā)電技術(shù)有這十分廣闊的應(yīng)用前景。</p><p>　　本設(shè)計(jì)嘗試設(shè)計(jì)一種能夠自動(dòng)跟蹤太陽光照射角度的雙軸自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)以提高太陽能電池的光-電轉(zhuǎn)化率。該系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，利用太陽軌道公式進(jìn)行太陽高

14、度角及方位角計(jì)算，并利用計(jì)時(shí)芯片以及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙軸跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板始終垂直于太陽入射光線，從而提高太陽能的吸收效率。</p><p>　　目前本設(shè)計(jì)僅通過簡單的計(jì)算公式得到的數(shù)據(jù)，對東西向進(jìn)行每小時(shí)一次的角度改變，南北向進(jìn)行每天一次的角度改變，再通過單片機(jī)的判斷進(jìn)行每晚的東西向回歸控制以及每半年的南北向跟蹤方向的改變控制。</p><p>　　由于時(shí)間及作者目前的知識限制，跟蹤系

15、統(tǒng)只是進(jìn)行粗略的角度跟蹤，有較大誤差，今后如有機(jī)會(huì)再進(jìn)行改進(jìn)。</p><p>　　關(guān)鍵字：太陽能電池 太陽照射角 自動(dòng)跟蹤 單片機(jī) 步進(jìn)電機(jī)</p><p><b>　　Abstract </b></p><p>　　With the conventinuous consumption of resources , the conv

16、entional enenrgy-based energt strcucture has not already more and more adapt to the needs for sustainable development,sppeing-up the development of and utilization of solar energy , the photovoltaic technology based on t

17、he photovoltaic effect has a very bord application prospect.</p><p>　　In the design , we try to design an automatic tracking system with Biaxial in order to enhance solar light - electricity conversion effic

18、iency. The system is based on single-chip, orbit the sun elevation angle formula using the sun and calculating azimuth and take the time chip advantage of dual-axis stepper motor driven tracking system, make the solar pa

19、nels perpendicular to the solar incidence line, to improve the absorption efficiency of solar energy. </p><p>　　At present, the design of a simple formula was only for calculating the data, the east-west to

20、the point of view will be changed once an hour, the north-outh perspective will be changed once a day, and then the MCU to return to control things through the night to determine, as well as every haif a year to track th

21、e direction of the north-south change in control. </p><p>　　Because of the time and the current limitations of the knowledge of the author’s , the tracking system to track the point of view is rough , there

22、are many errors , if the opportunity arised the design will be iomproved in the future.</p><p>　　Keywords: solar cells Inrradiation angle of sun tracking automatically single-chip Stepping motor</p&g

23、t;<p><b>　　一、概述</b></p><p><b>　?。ㄒ唬┠茉磁c環(huán)保</b></p><p>　　隨著時(shí)代的前進(jìn)，人類社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展速度日益增加，但是與此同時(shí)人類社會(huì)的負(fù)擔(dān)和責(zé)任也隨之增加。能源是國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的基礎(chǔ)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展得越快，人類對能源的需求就越大，利用能源時(shí)可能對環(huán)境造成較大程度的破壞。目前世界

24、的主要能源是由吸收太陽能的植物經(jīng)億萬年的演化積累而形成的化石能源，如煤炭、石油、天然氣等。正是由于上述原因，世界能源問題日益嚴(yán)峻，表現(xiàn)在如下方面：</p><p><b>　　1.能源短缺</b></p><p>　　世界上大部分國家能源供應(yīng)不足，據(jù)統(tǒng)計(jì)近10 年內(nèi)化石燃料(煤、石油與天然氣等)能量消耗增加了近20倍，預(yù)計(jì)今后十年化石燃料的用量將翻一番，但全球己探明的

25、石油儲(chǔ)量只能用到2050年，天然氣也只能延續(xù)到2040年左右，即使儲(chǔ)量豐富的煤炭資源也只能維持二三百年。</p><p><b>　　2.環(huán)境污染</b></p><p>　　由于燃燒煤、石油等化石燃料，每年有數(shù)十萬噸硫等有害物質(zhì)拋向天空，使大氣環(huán)境遭到嚴(yán)重污染，直接影響居民的身體健康和生活質(zhì)量，局部地區(qū)形成酸雨，嚴(yán)重污染水土。</p><p>

26、;<b>　　3.溫室效應(yīng)</b></p><p>　　化石能源的利用產(chǎn)生大量的溫室氣體而導(dǎo)致溫室效應(yīng)，引起全球氣候變化。這一問題己提到全球的議事日程，有關(guān)國際組織己召開多次會(huì)議，限制各國COZ等溫室氣體的排放量。能源問題關(guān)系到經(jīng)濟(jì)是否能夠可持續(xù)發(fā)展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的極大關(guān)注。現(xiàn)在人們常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。占人們能源消費(fèi)的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再

27、生的。據(jù)有關(guān)資料顯示:石油儲(chǔ)量的綜合估算，可支配的化學(xué)能源的極限大約為1180一1510億噸，以1995年世界石油的年開采量32億噸計(jì)算，石油儲(chǔ)量大約在2050年左右宣告枯竭;天然氣儲(chǔ)備估計(jì)在13180~152900兆立方米，年開采量維持在2300兆立方米，將在57一65年內(nèi)枯竭;煤的儲(chǔ)量約為5600億噸，1995年煤炭開采量為3億噸，可以供應(yīng)169年;鈾的年開采量目前為每年6萬噸，根據(jù)1993年世界能源委員會(huì)的估計(jì)可維持到21世紀(jì)30

28、年代中期，核聚變在2050年前沒有實(shí)現(xiàn)的希望。能源短缺的形勢很嚴(yán)峻，當(dāng)前世界多數(shù)國家對能源問題都很重視。新能源技術(shù)及節(jié)能技術(shù)在世界范圍內(nèi)迅速發(fā)展。太陽能、綠色生物能、燃料電池、海洋能等新能源的研究與應(yīng)用為人們描繪出希望。其</p><p><b>　?。ǘ┨柲艿奶攸c(diǎn)</b></p><p>　　太陽是一個(gè)巨大的能源，萬物生長都要依靠太陽，地球上絕大部分能源歸根究底

29、是來自太陽的。煤炭，石油都是古時(shí)候由動(dòng)物或植物存儲(chǔ)下來的太陽能。全世界人們一年所用的各種能量之和也只有到達(dá)地球表面的太陽能的數(shù)萬分之一，因此利用太陽能的潛力是十分大的。而相對于日益枯竭的化石能源來說，太陽能似乎是未來社會(huì)能源的希望所在。</p><p>　　太陽輻射能與煤炭，石油，核能相比較。有如下的優(yōu)點(diǎn):</p><p>　　1.儲(chǔ)量的“無限性”</p><p>

30、　　太陽能是取之不盡的可再生能源，可利用能量巨大。太陽放射的總輻射能量大約是3.75 X 1021 kW，極其巨大的。其中到達(dá)地球的能量高達(dá)1.73 X 1011kW,穿過大氣層到達(dá)地球表面的太陽輻射能大約為8.1X1013kW。在到達(dá)地球表面的太陽輻射能中，到達(dá)地球陸地表面的輻射能大約為1.7 X 1013kW，相當(dāng)于目前全世界一年內(nèi)消耗的各種能源所產(chǎn)生的總能量的三萬五千多倍。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，太陽可源源

31、不斷供給地球能源的時(shí)間可以是無限的。相對于常規(guī)能源的有限性，太陽能具有儲(chǔ)量的“無限性”，取之不盡，用之不竭。這就決定了開發(fā)利用太陽能將是人類解決常規(guī)能源缺乏、枯竭的最有效途徑。</p><p><b>　　2.存在的普遍性</b></p><p>　　雖然由于緯度的不同、氣候條件的差異造成了太陽能輻射的不均勻但相對于其他能源來說，太陽能對于地球上絕大多數(shù)地區(qū)具有存在的

32、普遍性，可就地取用。這就為常規(guī)能源缺乏的國家和地區(qū)解決能源問題提供了美好前景。</p><p><b>　　3.利用的清潔性</b></p><p>　　太陽能像風(fēng)能、潮汐能等潔凈能源一樣，其開發(fā)利用時(shí)幾乎不產(chǎn)生任何污染，加之其儲(chǔ)量的無限性，是人類理想的替代能源。</p><p><b>　　4.利用的經(jīng)濟(jì)性</b><

33、;/p><p>　　可以從兩個(gè)方面看太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性。一是太陽能取之不盡，用之不竭，而且在接收太陽能時(shí)不征收任何“稅”，可以隨地取用;二是在目前的技術(shù)發(fā)展水平下，有些太陽能利用己具經(jīng)濟(jì)性。隨著科技的發(fā)展以及人類開發(fā)利用太陽能的技術(shù)突破，太陽能利用的經(jīng)濟(jì)性將會(huì)更明顯。</p><p>　　（三）國內(nèi)外太陽能應(yīng)用的現(xiàn)狀</p><p>　　我國地處北半球歐亞大陸的東部，土

34、地遼闊，幅員廣大。我國的國土跨度從南至北，自西至東，距離都在5000km以上，總面積達(dá)960萬平方公里，占世界陸地總面積的7%,居世界第三位。在我國廣闊富饒的土地上，有著十分豐富的太陽能資源。全國各地太陽能輻射量為3340 8400MJ/(m2.a)，中值為5852MJ/（m2a）。我國太陽能資源豐富和比較豐富的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類地區(qū)，年日照時(shí)數(shù)大于2200h，太陽輻射總量高于50165852MJ/（m2a）,面積約占全國總面積的2/3以上。

35、</p><p>　　太陽能應(yīng)用包括太陽能發(fā)電和太陽能熱利用。太陽能發(fā)電又分為光伏發(fā)電，光化學(xué)發(fā)電，光感應(yīng)發(fā)電和光生物發(fā)電。光伏發(fā)電是利用太陽能電池這種半導(dǎo)體器件吸收太陽光輻射能，使之轉(zhuǎn)化成電能的直接發(fā)電形式，光伏發(fā)電是當(dāng)今太陽能發(fā)電的主流。世界光伏產(chǎn)業(yè)從1999年的201MW增加到2005年的1100MW。目前以32.1%的年平均增長率高速發(fā)展，位于世界能源發(fā)電市場增長率的首位。日本通產(chǎn)省(MITI)第二次新能

36、源分委會(huì)宣布了光伏、風(fēng)能和太陽熱利用計(jì)劃,2010年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5GW。歐盟的可再生能源白皮書及相伴隨的“起飛運(yùn)動(dòng)”是驅(qū)動(dòng)歐洲光伏發(fā)展的里程碑,總目標(biāo)是2010年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到3GW。美國能源部制定了從2000年1月1日開始的5年國家光伏計(jì)劃和2020～2030年的長期規(guī)劃,以實(shí)現(xiàn)美國能源、環(huán)境、社會(huì)發(fā)展和保持光伏產(chǎn)業(yè)世界領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略目標(biāo)。按照預(yù)計(jì)的發(fā)展速度,2010 年美國光伏銷售達(dá)到4.7GW。發(fā)展中國家的光伏產(chǎn)業(yè)近

37、幾年一直保持世界光伏組件產(chǎn)量的10%左右。預(yù)測未來10年仍將保持10%或稍高的發(fā)展水平,達(dá)到1.5GW(約10.6%)。其中印度近幾年發(fā)展迅速,居發(fā)展中國家領(lǐng)先地位,</p><p>　　太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式, 隨著國家西部開發(fā)政策的推行及光明工程的實(shí)施, 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)取得了較快發(fā)展。目前我國已建成的較大的光伏電站有西藏雙湖25千瓦光伏電站，西藏安多100千瓦光伏電站以及目前中國最大的新疆北

38、塔山牧場150千瓦太陽能光伏電站等。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不能到達(dá)的地區(qū)。近來一些幾瓦到幾百瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽能交通警示燈，高速公路上的太陽能廣告牌，太陽能路燈等。2005年我國系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量為70MW，《中華人民共和國可再生能源法》，承諾2010年太陽能光伏累計(jì)裝機(jī)容量450MW。從國家發(fā)改委制定的中長期規(guī)劃看,2006-2020年每年的平均裝機(jī)容量約60MW。</p>

39、<p>　　雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光伏產(chǎn)業(yè)還處于成長期。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏系統(tǒng)的成本會(huì)越來越低，性能會(huì)越來越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來越寬廣。</p><p>　?。ㄋ模追N主要的太陽能發(fā)電裝置</p><p>　　1.塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是：太陽輻射

40、熱被定日鏡反射集中后，被塔頂?shù)慕邮掌魑?，接收器上的聚光倍率可超過1000倍。在這里把吸收的太陽七能轉(zhuǎn)換成熱能，然后由傳熱介質(zhì)經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)，再輸入熱動(dòng)力機(jī)，膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后以電能的形式輸出，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。其概念設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)如圖1.1所示，整個(gè)系統(tǒng)由4部分組成:聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。</p><p>　　圖1.1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)</p><

41、p>　　塔式太陽能發(fā)電站的聚光子系統(tǒng)是大量按一定排列方式布置的平面反射鏡陣列群.它們按四個(gè)象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一個(gè)巨大的鏡場。由于接收器的安裝是固定不變的，為了使一天中所有時(shí)刻的太陽輻射都能通過反射鏡面反射到固定不動(dòng)的接收器上，反射鏡必須設(shè)置跟蹤裝置，跟蹤過程當(dāng)中要確保定日鏡的反射光線方向保持不變。</p><p>　　由幾何光學(xué)基本知識可知，要使反射光線方向保持不變，當(dāng)入射光線偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，

42、平面鏡需要偏轉(zhuǎn)/2角度。對于定日鏡來說，如果入射光線在太陽方位角和高度角方向分別偏轉(zhuǎn)角度時(shí)，定日鏡也需要各自在方位角和高度角方向偏轉(zhuǎn)/2角度。</p><p>　　在塔式系統(tǒng)中，各個(gè)定日鏡相對于中心塔有著不同的朝向和距離，因此，每個(gè)定日鏡的跟蹤都要進(jìn)行單獨(dú)的兩維控制，且各個(gè)定日鏡的控制各不相同。所以，在太陽能熱發(fā)電站中，塔式電站的控制系統(tǒng)最為復(fù)雜。</p><p>　　美國太陽Ⅱ號電站是世

43、界上較為典型的塔式太陽能熱發(fā)電站，是在總結(jié)太陽I號電站試運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為推進(jìn)塔式太陽能熱發(fā)電站商用化進(jìn)程而建設(shè)的先導(dǎo)性工程。定日鏡采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的方式進(jìn)行跟蹤，當(dāng)定日鏡和接收器表面最大距離為300m時(shí)，其跟蹤誤差為0.51 m.塔高91m，跟蹤角度精度達(dá)到19°。</p><p>　　2.聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)</p><p>　　聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由聚光電池陣列

44、、架體、方位和仰角驅(qū)動(dòng)器、跟蹤器、控制器組成。如圖1.2所示。聚光電池陣列由若干聚光電池串并聯(lián)構(gòu)成，若干陣列的串并聯(lián)還可構(gòu)成不同規(guī)模的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。</p><p>　　圖1.2 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成</p><p>　　聚光太陽電池是降低太陽電池利用總成本的一種措施。它通過聚光器而使較大面積的太陽光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑”或“焦帶”，并將太陽電池置于這種“焦斑”或“焦帶

45、”上，以增加光強(qiáng)，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多的電能輸出。</p><p>　　聚光太陽電池分兩類，一般低倍率的聚光，采用晶體硅太陽電池，適當(dāng)考慮散熱條件即可。如果聚光倍率增加到幾十倍以上，聚光太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，一般應(yīng)大于20%,且需耐高倍率的太陽輻射，特別是在較高溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能要得到保證，故在半導(dǎo)體材料選擇、電池結(jié)構(gòu)和柵線設(shè)計(jì)等方面都要進(jìn)行一些特殊考慮。這時(shí)普通晶體硅太陽電池已無法承受

46、，必須選用專門的材料和電池結(jié)構(gòu)制造聚光太陽電池。</p><p>　　太陽聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅爾透鏡，它是利用光在不同介質(zhì)的界面發(fā)生拆射的原理制成的，具有與一般球面透鏡相同的作用。特點(diǎn)是直徑很大的菲涅爾透鏡可以做的很薄，與球面透鏡相比可大大減輕透鏡的重量。菲涅爾透鏡也是聚光電池模塊的主要部件，具有體積小、重量輕、加工方便、透光率高等特點(diǎn)。菲涅爾透鏡一方面對太陽光進(jìn)行聚焦，另一方面對電池組件也起保護(hù)作用。

47、它是電池模塊外罩的一部分，電池組件的散熱器位于電池外罩的陰影里(正常跟蹤狀態(tài))，不被太陽光直射，因而便于散熱，使電池的溫度低，效率較高。</p><p>　　圖1.3 聚光太陽電池組件模塊的結(jié)構(gòu)</p><p>　　太陽能自動(dòng)跟蹤聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng)是采用聚焦的方式將太陽光的光能密度大大提高(400倍以上)，可使太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提高，在小面積的單晶硅片上獲得大的電流。跟蹤過程當(dāng)中就是要確保太

48、陽光線與透鏡的中軸線平行。</p><p>　　但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏電池上的光斑能量很強(qiáng)，因此聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是精確跟蹤太陽，其聚光比越大跟蹤精度要求就越高，聚光比為400時(shí)跟蹤精度要求小于0.2°。在一般情況下跟蹤精度越高其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，造價(jià)就越高，甚至造價(jià)高于光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電池的總造價(jià)。</p><p>　　3.碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)</p&

49、gt;<p>　　碟式系統(tǒng)也稱盤式系統(tǒng)。主要特征是采用盤狀拋物面鏡聚光集熱器，其結(jié)構(gòu)從外形上看類似于大型拋物面雷達(dá)天線。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)大體上由3部分組成:旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、接收器和跟蹤裝置。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作原理比較簡單，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚焦在一點(diǎn)上，即為點(diǎn)聚焦，其聚光比可以高達(dá)數(shù)百到數(shù)千倍。在焦點(diǎn)處放置陽光接收器，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力發(fā)電裝置發(fā)電;或在焦點(diǎn)處直接放置發(fā)動(dòng)機(jī)組發(fā)電，如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組構(gòu)成

50、的碟式太陽能斯特林發(fā)電裝置，技術(shù)上更為先進(jìn)。</p><p>　　這種系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，作為無電邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型電源，一般功率為10-25kW，聚光鏡直徑約10-15m;也可用于較大的用電戶，把數(shù)臺至十?dāng)?shù)臺裝置并聯(lián)起來，組成小型太陽能熱發(fā)電站。</p><p>　　旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡一般有幾十塊鏡面組構(gòu)而成，用剛結(jié)構(gòu)環(huán)作支撐體，整個(gè)盤鏡通過太陽高度角和方位角齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架上，通過

51、雙軸跟蹤裝置控制即時(shí)跟蹤太陽。由于接收器安裝在碟式反射鏡的焦點(diǎn)上，那么只要碟式反射鏡的中軸線跟太陽光線平行，便能保證碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)換效率為最大。圖1.4為小型碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)裝置。</p><p>　　圖1.4 蝶式太陽能系統(tǒng)發(fā)電裝置</p><p>　　目前碟式發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式和塔式電站中定日鏡的跟蹤方式完全相同，多采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式。但是

52、這種跟蹤方式算法復(fù)雜，成本高，對于小型碟式發(fā)電系統(tǒng)來說，可以考慮使用高精度傳感器跟蹤裝置來降低成本。</p><p>　?。ㄎ澹┨柲芨櫦夹g(shù)現(xiàn)狀</p><p>　　現(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)有的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。</p><p>　　(1)單軸跟蹤一般采用：傾斜布置東西跟蹤；焦線南北水平布置，東西跟蹤；焦線東西水平布置，南北跟蹤。這三種方式都

53、是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。</p><p>　　圖1.5 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤）</p><p>　　圖1.5是第3種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸(或焦線)東西向布置，根據(jù)事先計(jì)算的太陽方位的變化，太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)太陽能接收率最大;而在早上或下午太

54、陽光線都是斜射。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的主光軸平行，接收太陽能的效果并不理想。</p><p>　　(2)雙軸跟蹤又可以分為兩種方式:極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。極軸式全跟蹤原理如圖1.6所示，太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時(shí)太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面繞極軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其

55、轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽方位角:反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)是為了適應(yīng)太陽高度角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。</p><p>　　圖1.6 極軸式跟蹤</p><p>　　高度角-方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖1.7所示。太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換

56、部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時(shí)太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分根據(jù)太陽的視日運(yùn)動(dòng)繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的傾斜角，從而使能量轉(zhuǎn)換部分所在平面的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。</p><p>　　圖1.7 高度-方位角式全跟蹤<

57、;/p><p>　　目前，國外對于太陽光線自動(dòng)跟蹤裝置(或稱為太陽跟蹤器)的研究有，美國</p><p>　　Blackace，在1997年研制了單軸太陽跟蹤器，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)，接收器對太陽能的熱接收率提高了15%。1998年美國加州成功的研究了八JM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可以使小塊的太陽能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一步

58、提JoeLH.Godman研制了活動(dòng)太陽能方位跟蹤裝置，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個(gè)方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲取率。2002年2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。1994年在德國北部，太陽能廚

59、房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置1321。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽跟蹤。</p><p>　　近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。1929 年推出了太陽灶自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)。1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國家氣象局計(jì)量站在1990 年研制了FST型全自動(dòng)太陽跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽輻射觀測。&l

60、t;/p><p>　　不論是單軸跟蹤或雙軸跟蹤，太陽跟蹤裝置可分為：時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測和氣象臺的太陽跟蹤裝置幾種。</p><p>　?。?）時(shí)鐘式太陽跟蹤裝置是一種被動(dòng)式的跟蹤裝置，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法。根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)

61、變動(dòng)。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繞季軸旋轉(zhuǎn)，以跟蹤太陽的赤緯運(yùn)動(dòng)。這樣反射器就能全年和入射陽光相垂直，達(dá)到跟蹤太陽的目的。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)。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡單。其主要缺點(diǎn)是:跟蹤精度不夠。太陽的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對這種屬于被

62、動(dòng)式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時(shí)調(diào)整角度以對準(zhǔn)太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進(jìn)行校正。</p><p>　　（2）程序控制式太陽跟蹤裝置是與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的。首先利用一套公式通過計(jì)算機(jī)算出在給定時(shí)間的太陽的位置，再計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置，最后通過電機(jī)傳動(dòng)裝置達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。在美國加州建成的10MW太陽1號塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計(jì)28萬平方

63、米的范圍內(nèi)分散著1818塊反射鏡。首先計(jì)算出太陽的位置，然后求出每個(gè)反射鏡要求的位置，再通過固定在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(高度角和方位角跟蹤軸)上的13位增量式編碼器得到反射鏡的實(shí)際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實(shí)際上所處的位置進(jìn)行比較，偏差信號用來驅(qū)動(dòng)122.5w的支流電機(jī)，使反射裝置對太陽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤I38)。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。</p><p>　?。?）壓差式

64、太陽跟蹤裝置.武漢市電子產(chǎn)品研究所，參考國外單軸跟蹤太陽時(shí)角的熱水器，研制了一種壓差式單軸太陽跟蹤器，現(xiàn)己用在太陽能熱水器上。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)。為了取得太陽的偏移信號，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器。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，用壓力為。.IMPa的自來水作為跟蹤動(dòng)力(若無自來水，可裝一只容積為Z

65、L的壓力水箱)。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.這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每大當(dāng)太陽剛升起3-5分鐘后，鏡面即跟蹤對準(zhǔn)太陽。</p><p>　　與此相類似的太陽跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。</p><p>　　重力差式跟蹤器是1799年美國公布的一項(xiàng)專利。跟蹤器是裝在太陽能利用裝置樞軸兩側(cè)的一對裝有低沸點(diǎn)液體的密閉容器。其中的

66、液體(如氟里昂R一12)可以互相流通。在容器的適當(dāng)位置裝有太陽能擋板，只有在裝置對準(zhǔn)太陽時(shí)，太陽輻射能才可等量地照射到兩個(gè)容器上。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。液體多的容器重量增加，使裝置傾斜而跟蹤太陽，直至對準(zhǔn)時(shí)為止。整個(gè)裝置的重心低于樞軸，以防容器完全翻轉(zhuǎn)。這種太陽跟蹤器在夜間能自動(dòng)返回原來的位置。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)

67、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。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。</p><p>　　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。黑管內(nèi)充有低沸點(diǎn)的液體物質(zhì)，在常溫下，部分

68、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)。</p><p>　　當(dāng)太陽光線向西偏移一個(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。由于兩黑管的

69、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。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)，重新對準(zhǔn)太陽集熱。</p><p>　　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。缺點(diǎn)是沒有足夠的工作空間

70、，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動(dòng)對太陽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，重新對準(zhǔn)陽光，因此精度比較低。</p><p>　　（4）控放式太陽跟蹤裝置?？胤攀教柛櫻b置對太陽方位角進(jìn)行單向跟蹤，操作時(shí)，在太陽能接受面板西側(cè)安放一偏重，作為太陽能接受面板向西轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力，并利用控放式自動(dòng)跟隨裝置對此動(dòng)力的釋放加以控制，使鏡面隨著太陽的西偏而轉(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

71、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。</p><p>　　控放式太陽跟蹤裝置由配重塊、彈簧、杠桿、制動(dòng)裝置、電磁鐵等部分組成。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)。重力的控放由彈簧通過制動(dòng)裝置和杠桿來實(shí)現(xiàn)。彈簧則由電磁鐵控制。電磁鐵的動(dòng)力又由硅太陽能電池板供給。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)

72、太陽時(shí)恰好遮住陽光，使太陽能電池處于陰影區(qū)。一但太陽西移，遮光板的陰影隨之移動(dòng)，太陽能電池便受到陽光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā)出偏移信號。信號經(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。此時(shí)遮光板又重新?lián)踝￡柟?，太陽能電池進(jìn)入陰影區(qū)，電磁鐵釋放，完成跟蹤。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。因多云天氣太陽被云層遮擋的時(shí)

73、(aJ較長，跟蹤器常因失去目標(biāo)而停止動(dòng)作。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。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)</p><p>　?。?）光電式太陽跟蹤裝置。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

74、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。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1.8所示。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。</p><p>　　圖1.9 比較式太陽跟蹤系統(tǒng)得傳感器外形圖</p><p>　　比較控制式太陽跟蹤裝置。設(shè)置一個(gè)圓筒形外殼，

75、在圓筒外部，東、南、西、北四個(gè)方向上分別布置4只光電阻;其中一對光電阻(PI，P3)東西對稱安裝在圓筒的兩側(cè)，用來粗略的檢測太陽由東往西運(yùn)動(dòng)的偏轉(zhuǎn)角度即方位角;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;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;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(P6，PS)南北對稱安裝在圓

76、筒的內(nèi)側(cè)，用來精確檢測太陽的視高度，傳感器外形如圖1.9所示。</p><p>　　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。當(dāng)太陽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。當(dāng)太陽光偏離垂直方向一個(gè)較小的角度時(shí)(Pl，P3)這

77、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;而(PS，P7)這一對光電阻受到了圓筒對環(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。該信號經(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光，筒外的傳感器就能反應(yīng)出照度差值，該信號經(jīng)放大后送入控制單元，控制跟蹤器開始工

78、作。高度角的跟蹤基本原理及工作方式雷同。</p><p>　　為了使傳感器準(zhǔn)確的跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)，首先要通過試驗(yàn)找出較為合適的光敏電阻。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，跟蹤精度因此降低。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。其次要設(shè)計(jì)長度合適的圓筒。理論上講，

79、圓筒的長度越長，跟蹤器的精度就越高。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;假設(shè)圓筒內(nèi)部兩個(gè)光電阻同時(shí)直接受到太陽光照射的情況下，長圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為A，如圖1.10a所示，即太陽光線的偏離角度在A的范圍內(nèi)，長圓筒內(nèi)部的兩個(gè)光敏電阻不會(huì)出現(xiàn)照度差;短圓筒允許太陽光偏離角度的范圍為B，如圖1.10b 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。當(dāng)使用長圓筒

80、時(shí)，假設(shè)太陽光線偏離一個(gè)超出了范圍A又在B的范圍內(nèi)的角度，如圖1.10c，所示因?yàn)槠x角度超過了范圍A，圓筒內(nèi)部兩個(gè)光電阻產(chǎn)生了照度差值，該信號經(jīng)過處理放大，控制跟蹤器跟蹤上太陽；如果此時(shí)使用較短圓筒，偏離</p><p>　　圖1.10 不同長度圓筒的太陽光偏離角度方位示意圖</p><p>　　圖1.11 “多元法”太陽跟蹤裝置得傳感器結(jié)構(gòu)</p><p>　　

81、“多元法”太陽跟蹤裝置?！岸嘣ā碧柛櫻b置的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1.11a所示。正中央的光敏電阻與接收面垂直，Aa，Bb，Cc，Dd，助，F(xiàn)f將圓分成12 等份，它們分別代表單方向定位裝置。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1.11b所示?！岸嘣ā碧柖ㄎ谎b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。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)

82、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。</p><p>　?。?）用于天文觀測和氣象臺的太陽跟

83、蹤裝置。</p><p>　　太陽跟蹤裝置除了用作太陽能利用裝置以外，還常用于天文臺和氣象臺對太陽活動(dòng)的跟蹤觀察。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。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。自人造天體發(fā)射后又出現(xiàn)了三軸、四軸式跟蹤器。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;另一類是定日式，它將太陽光反射到所設(shè)計(jì)的固

84、定方向，太陽作周日視運(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赤緯相同，實(shí)現(xiàn)跟蹤。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)的精度，其造價(jià)相對也比較昂貴。</p><p>　　未來的太陽跟蹤裝置應(yīng)采用全自動(dòng)跟蹤陣。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

85、的應(yīng)用太陽能，降低裝置的成本;控制采用光、機(jī)、電一體化技術(shù)，通過對太陽光強(qiáng)弱的檢測，實(shí)現(xiàn)對太陽的全自動(dòng)跟蹤，可廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、電信、氣象等領(lǐng)域中。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)。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。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

86、的瞬時(shí)值，實(shí)現(xiàn)防風(fēng)，報(bào)警控制，蓄電池的充電、放電和分級控制等功能，對設(shè)備統(tǒng)一監(jiān)控管理。</p><p>　　（7）地平坐標(biāo)系跟蹤方法的應(yīng)用</p><p>　　國家太陽能檢測中心開發(fā)了一套太陽集熱器性能測試系統(tǒng)，其中就包括了太陽跟蹤器。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5°，因此需要對太陽進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。該跟蹤器采用地平坐標(biāo)系跟蹤方式，

87、主要由水平回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、垂直回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺、兩臺步進(jìn)電機(jī)以及集熱器臺架組成。集熱器固定在臺架平面上;水平轉(zhuǎn)臺相當(dāng)于集熱器的方位軸，由一臺步進(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。減速器的傳動(dòng)比為1:120，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)120°時(shí)水平轉(zhuǎn)臺相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)1°，以步進(jìn)電機(jī)0.360 的步距角計(jì)算，當(dāng)水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動(dòng)1°時(shí)，步進(jìn)電機(jī)發(fā)出120&#

88、176;/0.36個(gè)脈沖，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/0.36個(gè);另一臺步進(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))。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360°時(shí)絲</p><p>　　圖1.

89、12 太陽集熱跟蹤臺</p><p><b>　?。ò耍┍菊滦〗Y(jié)</b></p><p>　　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，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(jìn)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(jìn)行了分析，并且對目前的各種跟蹤方法的進(jìn)行

90、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(dòng)跟蹤系統(tǒng)的研發(fā)提供了基礎(chǔ)和依據(jù)。</p><p>　　二、跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想及框架</p><p>　　（一）跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　本系統(tǒng)研制的出發(fā)點(diǎn)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

91、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(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。在本課題中采用的是雙軸跟蹤的方法對太陽進(jìn)行即時(shí)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。</p>

92、<p>　　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。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)盡量簡潔，避免過于復(fù)雜和昂貴，要便于安裝和維護(hù)。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。</p><p>　?。ǘ└櫹到y(tǒng)的組成</p>&l

93、t;p>　　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(jī)構(gòu)；（3）控制部分；（4）貯能裝置；（5）逆變器。系統(tǒng)組成如圖2.1所示。</p><p><b>　　1.太陽能采集裝置</b></p><p>　　本光伏發(fā)電系統(tǒng)的目的即是對太陽能進(jìn)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(fù)載使用，起到節(jié)省能源的目的。在本系統(tǒng)的研發(fā)

94、中，太陽能電池是太陽能采集裝置的首選部件。</p><p>　　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(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。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

95、、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)使用的太陽能電池發(fā)電器件，稱為太陽能電池組件。</p><p>　　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。<

96、;/p><p><b>　　2.轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　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(jī)構(gòu)用來跟蹤太陽的實(shí)時(shí)位置。</p><p>　　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。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。轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)的構(gòu)成設(shè)想基于

97、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。</p><p>　　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)。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。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(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

98、，選取的是小型渦輪蝸桿減速機(jī)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(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。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。</p><p><b>　　3.控制部分</b></p><p>　　在本系統(tǒng)中，要根據(jù)即時(shí)時(shí)間進(jìn)行太陽角度的運(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

99、此功能。</p><p>　　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。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。</p><p>　　在本系統(tǒng)中，考慮選用的控制核心為單片機(jī)。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。單片機(jī)把各項(xiàng)功能部件都集成在一塊芯片上，因

100、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。本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的控制部分選用的AT89C51單片機(jī)。</p><p><b>　　4.貯能裝置</b></p><p>　　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

101、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。</p><p>　　蓄電池在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中的充電方式為：當(dāng)太陽能電池板的電勢大于蓄電池的電勢時(shí)，電能充入蓄電池，蓄電池處于充電狀態(tài)。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。</p><p>　　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

102、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。堿性蓄電池維護(hù)容易，壽命較長，結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易損壞，但價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜。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。</p><p><b>　　5.逆變器</b></p><p>　　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?yàn)殂U酸蓄電池提供的

103、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。</p><p>　　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。</p><p>　　作為在本太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中應(yīng)用的逆變器，要滿足以下要求：</p><p>　　1）對輸出功率和瞬時(shí)

104、峰值的要求；</p><p>　　2）對逆變器輸出效率的要求；</p><p>　　3）對逆變器輸出波形的要求；</p><p>　　4）對逆變器輸入直流電壓的要求。</p><p>　　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

105、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(yīng)用于普通的交流用電器。</p><p><b>　　6.控制器</b></p><p>　　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(fù)雜，充電控制器都必不可少。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

106、達(dá)到最佳狀態(tài)。</p><p>　　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(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