光伏发电中的追日系统方案.docx

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光伏发电中的追日系统方案

光伏发电中的追日系统

1设计任务和要求

在太阳能光伏发电系统中，为实现最大的发电效率，要求太阳能电池板与日光投射方向垂直。

设计一个满足上述要求的追日系统，确保太阳能电池板有最佳的工作角度。

2设计应用背景

2.1能源现状及发展

随着人类无止境的开发地球能源，人类所面临的资源枯竭危机不断加深，加上地球生态环境的不断恶化，进入新世纪以来，人类已经遭遇了前所未有的生存危机。

人类只有一个地球，其生态系统是不可能再造的。

早在17世纪初，人类就已经意识到这一问题，并在新能源探索上不断做出努力，特别是太阳能利用领域取得辉煌成就。

目前光伏发电居世界各国前列的是日本、德国和美国。

中国光伏发电产业于20世纪70年代起步，90年代中期进入稳步发展时期。

太阳电池及组件产量逐年稳步增加。

经过30多年的努力，已迎来了快速发展的新阶段。

在“光明工程”先导项目和“送电到乡”工程等国家项目及世界光伏市场的有力拉动下，我国光伏发电产业迅猛发展。

太阳能是一种可再生能源，它具有广泛性、安全性、巨大性和长久性，且不受任何人的控制与垄断，是无私、免费、公平地给予人类的。

在常规能源供给紧和环保压力不断增大的背景下，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能的热潮，使太阳能的应用领域不拓展，已渗透到我们生活的每一个角落。

2.2提高太阳能的利用率

太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源[1]，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。

尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。

就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国外学者的研究热点。

解决这一问题应从两个方面入手[2]，一是提高太阳能装置的能量转换率，二是提高太阳能的接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。

太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。

不管哪种太阳能利用设备，如果它的集热装置能始终保持与太阳光垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积收集更多的太阳能。

但是太阳每时每刻都是在运动着，集热装置若想收集更多方向上的太阳光，那就必须要跟踪太阳。

香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明[3]:

太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差37.7%，精确的跟踪太阳可使接收器的接收效率大大提高，进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，拓宽了太阳能的利用领域。

2.3跟踪技术国外现状

国现状：

（1）1994年德国北部，采取了单轴太阳能跟踪装置的太阳能厨房开始应用

（2）1997年研制了单轴太阳能跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的接受效率提高了。

国外现状：

（1）2009年电子科技大学徐静以森林防火为应用目的对独立光伏发电系统及其跟踪做了深入探讨。

与以往类似系统的不同之处在于将一天中可能出现的天气细分为晴天。

多云和阴雨三种不同的状况，并确定了应对上述三种不同天气状况的相应跟踪模式。

（2）2012年师大学路博对高精度的太阳跟踪方法进行了研究，并用选取的高精度的天文公式计算结果对太阳位置进行初定位，通过对多种光电元件各自特性的分析，设计了由硅光电池构成的太阳方位检测传感器用来弥补初定位的误差，克服了两种跟踪方法各自的缺点，实现了精确跟踪[4]。

2.4目前跟踪太阳的方式

时钟式太阳跟踪装置：

此装置是一种被动式装置有单轴和双轴两种类型系统根据时间将方位角和仰俯角分为几等份在固定时间段通过控制器驱动电机按固定的角度旋转进而跟踪太阳。

最大功率跟踪装置：

本方法以动态平衡追踪太阳能系统的最大功率，本方法特征是太阳能板与直流直流升降压转换器间联接一个瞬间功率型超级电容作为能量的动态平衡器，将太阳能板产生的电能转换成电容器形态的电能进行最大功率演算可大幅度简化演算程序提升追踪演算的实时性与可靠度提高太阳能系统效率。

光电式跟踪装置：

此类装置使用光敏传感器如硅光电管硅光电管要靠近遮光板安装调整遮光板的位置使遮光板对准太阳硅光电池处于阴影区。

当太阳西移时遮光板的阴影偏移硅光电管受到阳光直射输出一定值的微电流该微电流作为偏差信号经放大电路放大，由伺服调整度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。

以上每种跟踪方式都可完成对太阳的跟踪但这些方式都是被动式太阳跟踪方式只能被动地接收太阳辐射作为驱动基础时钟式灵敏度不高不能高效地利用太阳能最大功率和光电跟踪装置灵敏度高结构设计较为方便。

鉴于此，本文设计了基于光电传感器的一中跟踪方式，精确定位，最大限度地利用太阳能。

3难点分析

●采用合适的传感器感知太阳的转动并且转换角度

●转动系统怎样达到灵敏度最高

●合理的检测值的参数的设定

●采集装置受天气影响的情况状况

4实施方案

4.1整体跟踪设计

将面板固定在转动平台上，将光敏器件部署在面板的不同位置，通过各位置反馈的光强信号差异，获得当前阳光的方位信息。

同时，使用单片机对光强信号进行采样，采集结果通过一系列运算后，产生转动控制信号，控制转动平台，进而保证感光面板正对太阳直射的方向。

实现这个方案，主要解决两方面问题，一是光敏器件的选择，二是转动平台的搭建。

在光敏器件的选择方面，我们尝试了光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。

由于考虑到装置的实用性和性价比，通过设计了不同的光照实验，我们检测不同光敏器件的感光效果。

在转动平台的搭建方面，我们考虑了自制转动平台和云台。

在实验测试中，由于受工艺、结构和控制接口等多因素的制约，我们放弃了自制转动平台的方案，选择了云台作为转动平台。

图4-1系统整体框图

4.1.1系统组成

系统组成及结构智能型太阳能跟踪装置主要由微处理器控制单元、光电检测单元、液晶显示模块、存储单元和键盘及相应的外围电路、手动控制单元等组成。

1）键盘及显示屏。

设有键盘和一块液晶显示器（liquidcrystaldisplay，LCD），主要用于手动控制和人机交互，便于用户设置时间和位置参数，并对系统的运行状态进行监视。

2）检测模块。

检测模块安装在集热器面板或者与集热器平行的面板上，主要用于检测系统运行时的环境条件[5]。

其功能可分为2个方面：

①检测环境光线强弱程度，以区别白昼和夜晚；在阴天光照强度不够时，系统检测到信号后自动处于待机状态，避免不必要的能源浪费，从而达到系统的自动控制。

②提供水平和俯仰方向上的误差信号。

在系统正常跟踪状态时，跟踪方式为程控跟踪，由于计算误差和机械误差的存在，在系统长期运行后，累积误差无法消除。

检测模块检测到累积误差后，发出中断信号，微控制芯片响应中断，发出相应指令控制执行动作以修正误差，从而达到闭环控制。

3）电源电路。

电源电路主要为微控制器、外围器件以及控制系统中所用到的其他芯片提供工作电源。

由于采用的ARM微控制器为LPC2290，而它具有独立的模拟电源和数字电源，为降低出错几率，模拟电源和数字电源应该隔离。

因此接入的220V电源经滤波后分为2路：

一路作为步进电机驱动器工作电源；一路经整流后为系统提供+5V和+15V电源。

微控制器的2组电源在+5V的基础上经过一个电压调节器分别输出+3.3V和+1.8V。

4）存储模块。

采用的LPC2290片只有16kB的静态随机存取存储器（staticRAM，SRAM），没有可以利用的片只读存储器（readonlymemory，ROM）或FLASH存储器，因此需要对其进行扩展，用以存储操作系统和运行程序，以防断电后丢失程序。

5）执行。

执行主要是驱动模块、步进电机以及相应的支撑结构。

驱动模块接受微控制器的输出脉冲后，经光电隔离后进行放大循环输出。

步进电机能够直接进行数字控制，将脉冲序列转化为相应的角位移，即接受一个脉冲，步进电机就转过一个角位移。

支撑结构将步进电机输出的功率降速增距后，分别转化为水平方向的低速旋转运

动和垂直方向的俯仰运动以跟随太阳。

4.1.2系统总体流程

N

Y

图4-2总体流程图

4.1.3光电跟踪的原理分析

在日照环境下，通过光能检测模块比较各方位日照强度，控制云台转动，使光能检测模块正对光源，实现追日功能。

本装置具有高效、简易的特点，能应用于太阳能领域，以提高太阳能的转换效率。

光电追踪（闭环）是使用光电传感器作为探测元件，实时探测太阳位置并将信息送达核心处理芯片进行处理后来完成对太阳位置的探测和跟踪。

当太阳光有偏移时，根据感光量的不同，导致输出电压的不同，根据输出电压确定步进电动机的转向，控制相关的继电器动作，接通步进电机使其转动

光强检测电路中是对是否启动跟踪进行判断，太阳能电池板产生电能后存储在蓄电池里作为整个系统的电源，同时为了防止蓄电池过充损坏蓄电池，加了一个充电控制器对其进行控制。

本系统采用云台作为执行，由蓄电池给云台供电，电池板固定在云台上，云台转动就会带动电池板运动，是太阳能始终对准太阳，实现阳光到电池板的垂直照射，完成跟踪[6]。

4.1.4光电跟踪的具体实施方法

光电跟踪的实施

在高度角和方位角跟踪时分别利用两只2CU型光电二极管作为太阳位置的敏感元件。

4只光电二极管安装在同一个半球形的传感器壳。

每对二极管被中间隔板隔开，对称地放在隔板两侧。

传感器俯视图如下图所示。

图4-3跟踪太阳传感器的俯视图

当镜面对准太阳时，太阳光平行于隔板，两只二极管的感光量相等，输出电压相同。

当太阳光略有偏移时，隔板的阴影落在其中一只二极管上，使两只二极管的感光量不等，输出电压也不等。

根据输出电压确定步进电动机的转向，控制相关的继电器动作，接通步进电机使其转动。

当转到太阳光重新平行于隔板时，两只二极管输出相同电压加点器断开，电机停转。

有夜晚自动恢复原始排放状态，当系统采集的实时环境光强和实时时间都小于设定的最小经济发电光强和傍晚时间时，平面镜阵列恢复到原始位置，等待第二天的到来

光电二极管在设计和制作时尽量使PN结的面积相对较大，以便接收入射光。

光电二极管是在反向电压作用下工作的，没有光照时，反向电流极其微弱，叫暗电流；有光照时，反向电流迅速增大到几十微安，称为光电流。

光的强度越大，反向电流也越大。

光的变化引起光电二极管电流变化，这就可以把光信号转换成电信号，成为光电传感器件。

图4-4硅光二极管信号放大电路

4.2检测电路的传感器选择

电流/电压检测主要传感器件是霍尔元件;环境温度检测是采用温度传感器实现的;太阳光强和太阳能电池组件表面光强的检测:

光电池作为光强传感器，只要测出其输出短路电流和表变温度即可推算出当时其表面所受的辐射光强。

（1）电流/电压检测

电流/电压检测主要传感器件是霍尔元件，采用磁平衡原理。

检测精度高，线性度好，而检测电路与被检测电路完全隔离。

电流互感器将被测电流转换成0mA~50mA标准电流，并以电流源方式输出。

电压传感器是通过大功率电阻把电压输入变换成电压传感器的0mA~50mA标准电流，并以电流源方式输出。

为了获取可供A/D采集卡采集的电压信号，还必须外加电压取样电路，将电流信号转变成电压信号。

+15v

+

-15v

GND

Vout

去A/D

图4-5电流电压检测电路

图4.8电流电压检测电路

（2）光强检测

太阳光强和太阳能电池组件表面光强的检测非常重要，是系统太阳能电池组件性能和聚光发电效率的一个重要参数。

在太阳光的照射下，由于太阳电池的输出电路电流与太阳辐射照度成正比，故选取一块经标准光强标定好的光电池作为光强传感器，只要测出其输出短路电流和表变温度即可推算出当时其表面所受的辐射光强。

图4-6光强检测电路

（3）风速检测

风速检测是采用风速传感器。

风杯风速仪是用风杯旋转架作为感应元件，一个多齿和光电断器用来将转子速度转换与风速成正比的频率电信号，为了获得A/D采集卡的电压信号，还必须外加电压取样电路。

将点频率信号转换成电压信号，把频率信号送入频率/电压转换器中，经过取样电路，就可以得到与风速成正比的标准电压信号。

当风力达到8级时，通过风速传感器检测到风速报警信号后，有计算机系统的继电器输出放翻控制动作，是太阳能电池组件和多平面镜阵快速首屏，当风力降下来时，延迟10分钟，解除防风状态，恢复平面矩阵的跟踪过程。

+15vVcc

LM2907

C1C2

FinR1R2Vout

图4-7频率/电压信号转换电路

（4）蓄电池电量检测

蓄电池放电即负载用电可以采用两点控制方式，当蓄电池电压下降到一定值时报警，提醒工作人员节约用电，减少负荷；当电压下降到更低的下限值时，系统切断负载，从而防止蓄电池放电照成的损坏。

4.3优缺点分析以及成本

光电跟踪优点：

（1）跟踪精度高

（2）结构简单

（3）易于实现

缺点：

易受天气影响。

例如:

长时间乌云遮住太阳情况下，追踪装置无法对准太阳，严重时还可能会引起的误动作

5收获与体会

参考文献

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[4]路博.光伏系统中的高精度太阳跟踪方法研究.师大学硕士学位论文.2012

[5]汤涌，红斌，侯俊贤，等．负荷建模的基本原则和方法[J]．电网技术，2007，31（4）：

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