光伏發(fā)電中的追日系統(tǒng)方案

1、.目錄1設計任務和要求 . .12設計應用背景 .12.1能源現(xiàn)狀及發(fā)展 .12.2提高太陽能的利用率 .12.3跟蹤技術國外現(xiàn)狀 .12.4目前跟蹤太陽的方式 .23難點分析 . .24實施方案 . .24.1整體跟蹤設計 .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光電跟蹤的具體實施方法 .54.2檢測電路的傳感器選擇 .64.3優(yōu)缺點分析以及成本 .75收獲與體會.8參考文獻 .9. 下載可編輯 .光伏發(fā)電中的追日系統(tǒng)1 設計任務和要求在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，為實現(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。設計一個滿足上述

2、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 設計應用背景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不斷加深，加上地球生態(tài)環(huán)境的不斷惡化，進入新世紀以來，人類已經(jīng)遭遇了前所未有的生存危機。人類只有一個地球，其生態(tài)系統(tǒng)是不可能再造的。早在17 世紀初，人類就已經(jīng)意識到這一問題，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 70 年代起步， 90 年代中期進入穩(wěn)步發(fā)展時期。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

3、工程”先導項目和“送電到鄉(xiāng)”工程等國家項目及世界光伏市場的有力拉動下，我國光伏發(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、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， 使太陽能的應用領域不拓展，已滲透到我們生活的每一個角落。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 1 ，這就對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遠不夠，究其原因，

4、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， 仍為國外學者的研究熱點。解決這一問題應從兩個方面入手 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)換領域，還有待研究，而后者利用現(xiàn)有的技術則可解決。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備，如果它的集熱裝置能始終保持與太陽光垂直，并且收集更多方向上的太陽光，那么，它就可以在有限的使用面積收集更多的太陽能。但是太陽每時每刻都是在運動著，集熱裝置若想收集更多方向上的太陽光，那就必須要跟蹤太陽。香港大學建筑系的教授研究了太陽光照角度與太陽能接收率的關系，理論分析表明

5、3 : 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，進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域。2.3 跟蹤技術國外現(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用. 下載可編輯 .(2)1997 年研制了單軸太陽能跟蹤器，完成了東西方向的自動跟蹤，而南北方向則通過手動調(diào)節(jié)，接收器的接受效率提高了。國外現(xiàn)狀：(1)2009 年電子科技大學徐靜以森林防火為應用目的對獨立光伏發(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)的天氣細分為晴天。多云和陰雨三種不同的狀況，并確定

6、了應對上述三種不同天氣狀況的相應跟蹤模式。(2)2012 年師大學路博對高精度的太陽跟蹤方法進行了研究，并用選取的高精度的天文公式計算結果對太陽位置進行初定位，通過對多種光電元件各自特性的分析，設計了由硅光電池構成的太陽方位檢測傳感器用來彌補初定位的誤差，克服了兩種跟蹤方法各自的缺點，實現(xiàn)了精確跟蹤 4 。2.4 目前跟蹤太陽的方式時鐘式太陽跟蹤裝置：此裝置是一種被動式裝置有單軸和雙軸兩種類型系統(tǒng)根據(jù)時間將方位角和仰俯角分為幾等份在固定時間段通過控制器驅(qū)動電機按固定的角度旋轉(zhuǎn)進而跟蹤太陽。最大功率跟蹤裝置：本方法以動態(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)

7、接一個瞬間功率型超級電容作為能量的動態(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)的電能進行最大功率演算可大幅度簡化演算程序提 升追蹤演算的實時性與可靠度提高太陽能系統(tǒng)效率。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準太陽硅光電池處于陰影區(qū)。當太陽西移時遮光板的陰影偏移硅光電管受到陽光直射輸出一定值的微電流該微電流作為偏差信號經(jīng)放大電路放大，由伺服調(diào)整度使跟蹤裝置對準太陽完成跟蹤。以上每種跟蹤方式都可完成對太陽的跟蹤但這些方式都是被動式太陽跟蹤方式只能被動地接收太陽輻射作為驅(qū)動基礎時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

8、靈敏度高結構設計較為方便。鑒于此，本文設計了基于光電傳感器的一中跟蹤方式，精確定位，最大限度地利用太陽能。3 難點分析采用合適的傳感器感知太陽的轉(zhuǎn)動并且轉(zhuǎn)換角度轉(zhuǎn)動系統(tǒng)怎樣達到靈敏度最高合理的檢測值的參數(shù)的設定采集裝置受天氣影響的情況狀況4 實施方案4.1 整體跟蹤設計. 下載可編輯 .將面板固定在轉(zhuǎn)動平臺上，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信號差異，獲得當前陽光的方位信息。同時，使用單片機對光強信號進行采樣，采集結果通過一系列運算后，產(chǎn)生轉(zhuǎn)動控制信號，控制轉(zhuǎn)動平臺，進而保證感光面板正對太陽直射的方向。實現(xiàn)這個方案，主要解決兩方面問題，一是光敏器件的選擇，二是轉(zhuǎn)動平臺的搭建

9、。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用性和性價比，通過設計了不同的光照實驗，我們檢測不同光敏器件的感光效果。在轉(zhuǎn)動平臺的搭建方面，我們考慮了自制轉(zhuǎn)動平臺和云臺。在實驗測試中，由于受工藝、結構和控制接口等多因素的制約，我們放棄了自制轉(zhuǎn)動平臺的方案，選擇了云臺作為轉(zhuǎn)動平臺。光照光信號接收信號轉(zhuǎn)換接收最強光照云臺控制單片機采樣比較圖 4-1 系統(tǒng)整體框圖4.1.1 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成及結構 智能型太陽能跟蹤裝置主要由微處理器控制單元、光電檢測單元、液晶顯示模塊、存儲單元和鍵盤及相應的外圍電路、手動控制單元等組成。1) 鍵盤及顯示屏。設有鍵盤和一塊液晶顯

10、示器(liquid crystal display，LCD)，主要用于手動控制和人機交互，便于用戶設置時間和位置參數(shù)，并對系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行監(jiān)視。2) 檢測模塊。檢測模塊安裝在集熱器面板或者與集熱器平行的面板上，主要用于檢測系統(tǒng)運行時的環(huán)境條件 5 。其功能可分為 2 個方面：檢測環(huán)境光線強弱程度，以區(qū)別白晝和夜晚；在陰天光照強度不夠時，系統(tǒng)檢測到信號后自動處于待機狀態(tài)，避免不必要的能源浪費，從而達到系統(tǒng)的自動控制。提供水平和俯仰方向上的誤差信號。 在系統(tǒng)正常跟蹤狀態(tài)時， 跟蹤方式為程控跟蹤，由于計算誤差和機械誤差的存在，在系統(tǒng)長期運行后，累積誤差無法消除。檢測模塊檢測到累積誤差后，發(fā)出中斷信

11、號，微控制芯片響應中斷，發(fā)出相應指令控制執(zhí)行動作以修正誤差，從而達到閉環(huán)控制。3) 電源電路。電源電路主要為微控制器、外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，而它具有獨立的模擬電源和數(shù)字電源，為降低出錯幾率，模擬電源和數(shù)字電源應該隔離。因此接入的 220V 電源經(jīng)濾波后分為 2 路：一路作為步進電機驅(qū)動器工作電源； 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的基礎上經(jīng)過一個電壓調(diào)節(jié)器分別輸出 +3.3V 和 +1.8V。4) 存儲模塊。采用的 LPC2290 片只有 16kB 的靜態(tài)隨機存取存儲器 (

12、static RAM，SRAM)，沒有可以利用的片只讀存儲器 (read only memory ，ROM)或 FLASH存儲器，因此需要對其進行擴展，用以存儲操作系統(tǒng)和運行程序，以防斷電后丟失程序。5) 執(zhí)行。執(zhí)行主要是驅(qū)動模塊、步進電機以及相應的支撐結構。驅(qū)動模塊接受微控制. 下載可編輯 .器的輸出脈沖后，經(jīng)光電隔離后進行放大循環(huán)輸出。步進電機能夠直接進行數(shù)字控制，將脈沖序列轉(zhuǎn)化為相應的角位移，即接受一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)過一個角位移。支撐結構將步進電機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)運動和垂直方向的俯仰運動以跟隨太陽。4.1.2 系統(tǒng)總體流程開始系統(tǒng)按默認方式運行設置修

13、改參數(shù)采集數(shù)據(jù)監(jiān)控子程序YY參數(shù)是否超標N自動跟蹤子程序保護子程序蓄電池充放電子程序N實時時間 系統(tǒng)設定Y調(diào)整平面鏡陣列的位置結束圖 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，通過光能檢測模塊比較各方位日照強度，控制云臺轉(zhuǎn)動，使光能檢測. 下載可編輯 .模塊正對光源，實現(xiàn)追日功能。本裝置具有高效、簡易的特點，能應用于太陽能領域，以提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。光電追蹤 ( 閉環(huán) ) 是使用光電傳感器作為探測元件，實時探測太陽位置并將信息送達核心處理芯片進行處理后來完成對太陽位置的探測和跟蹤。當太陽光有偏移時，根據(jù)感光量的不同，導致輸出電壓的不同，根據(jù)輸出電壓確定步進電動機的轉(zhuǎn)向，控

14、制相關的繼電器動作，接通步進電機使其轉(zhuǎn)動光強檢測電路中是對是否啟動跟蹤進行判斷，太陽能電池板產(chǎn)生電能后存儲在蓄電池里作為整個系統(tǒng)的電源，同時為了防止蓄電池過充損壞蓄電池，加了一個充電控制器對其進行控制。本系統(tǒng)采用云臺作為執(zhí)行，由蓄電池給云臺供電，電池板固定在云臺上，云臺轉(zhuǎn)動就會帶動電池板運動，是太陽能始終對準太陽，實現(xiàn)陽光到電池板的垂直照射，完成跟蹤 6 。4.1.4 光電跟蹤的具體實施方法光電跟蹤的實施在高度角和方位角跟蹤時分別利用兩只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半球形的傳感器殼。每對二極管被中間隔板隔開，對稱地放在隔板兩側(cè)。傳感器俯視圖如下圖所示

15、。圖 4-3 跟蹤太陽傳感器的俯視圖當鏡面對準太陽時，太陽光平行于隔板，兩只二極管的感光量相等，輸出電壓相同。當太陽光略有偏移時，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)輸出電壓確定步進電動機的轉(zhuǎn)向，控制相關的繼電器動作，接通步進電機使其轉(zhuǎn)動。當轉(zhuǎn)到太陽光重新平行于隔板時，兩只二極管輸出相同電壓加點器斷開，電機停轉(zhuǎn)。有夜晚自動恢復原始排放狀態(tài)，當系統(tǒng)采集的實時環(huán)境光強和實時時間都小于設定的最小經(jīng)濟發(fā)電光強和傍晚時間時，平面鏡陣列恢復到原始位置，等待第二天的到來光電二極管在設計和制作時盡量使 PN 結的面積相對較大，以便接收入射光。光電二極管是在反向電壓作用

16、下工作的， 沒有光照時，反向電流極其微弱， 叫暗電流；有光照時，反向電流迅速增大到幾十微安，稱為光電流。光的強度越大，反向電流也越大。光的變化引起光電二極管電流變化，這就可以把光信號轉(zhuǎn)換成電信號，成為光電傳感器件。. 下載可編輯 .圖 4-4 硅光二極管信號放大電路4.2 檢測電路的傳感器選擇電流 / 電壓檢測主要傳感器件是霍爾元件 ; 環(huán)境溫度檢測是采用溫度傳感器實現(xiàn)的 ; 太陽光強和太陽能電池組件表面光強的檢測 : 光電池作為光強傳感器，只要測出其輸出短路電流和表變溫度即可推算出當時其表面所受的輻射光強。(1) 電流 / 電壓檢測電流 / 電壓檢測主要傳感器件是霍爾元件，采用磁平衡原理。

17、檢測精度高， 線性度好，而檢測電路與被檢測電路完全隔離。電流互感器將被測電流轉(zhuǎn)換成 0mA50mA標準電流，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0mA50mA標準電流，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，還必須外加電壓取樣電路，將電流信號轉(zhuǎn)變成電壓信號。+15v+傳-15vi 感器-GNDRVout去 A/D圖 4-5 電流電壓檢測電路圖 4.8 電流電壓檢測電路(2) 光強檢測太陽光強和太陽能電池組件表面光強的檢測非常重要，是系統(tǒng)太陽能電池組件性能和聚光發(fā)電效率的一個重要參數(shù)。在太陽光的照射下，由于太陽電池的輸出電路電流與太陽

18、輻射照度成正比，故選取一塊經(jīng)標準光強標定好的光電池作為光強傳感器，只要測出其輸出短路電流和表變溫度即可推算出當時其表面所受的輻射光強。. 下載可編輯 .圖 4-6 光強檢測電路(3) 風速檢測風速檢測是采用風速傳感器。風杯風速儀是用風杯旋轉(zhuǎn)架作為感應元件，一個多齒和光電斷器用來將轉(zhuǎn)子速度轉(zhuǎn)換與風速成正比的頻率電信號，為了獲得A/D 采集卡的電壓信號，還必須外加電壓取樣電路。將點頻率信號轉(zhuǎn)換成電壓信號，把頻率信號送入頻率/ 電壓轉(zhuǎn)換器中，經(jīng)過取樣電路，就可以得到與風速成正比的標準電壓信號。當風力達到8 級時，通過風速傳感器檢測到風速報警信號后，有計算機系統(tǒng)的繼電器輸出放翻控制動作，是太陽能電池組件和多平面鏡陣快速首屏，當風力降下來時，延遲10 分鐘，解除防風狀態(tài)，恢復平面矩陣的跟蹤過程。+15vVccLM2907C1C2FinR1R2Vout圖 4-7 頻率 / 電壓信號轉(zhuǎn)換電路（4）蓄電池電量檢測蓄電池放電即負載用電可以采用兩點控制方式，當蓄電池電壓下降到一定值時報警，提醒工作人員節(jié)約用電，減少負荷；當電壓下降到更低的下限值時，系統(tǒng)切斷負載，從而防止蓄電池放電照成的