太阳能发电系统自动跟踪装置设计【全套含9张CAD图纸】
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太阳能
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翻译部分英文原文中文翻译基于嵌入式控制的太阳能跟踪器的设计、制造与性能测设摘要本文介绍了光伏电池板太阳能跟踪器系统的发展历程。该系统由一个基于嵌入式控制的微控制器制作而成。该系统存储有太阳光线水平方向角度的数据，因此不需要传感器进行信号的输入，是一个典型的开环控制系统。以上所提到得特点表明该跟踪系统是一种主动式的新技术，也是具有一维自由度的旋转式机器人。1、介绍2000年的时候，来自联合国各个国家的领导人对未来的世界进行了美好的展望，他们共同提出了八项千年发展目标的雏形。这些目标给世界各国提供了发展的构架和时间上的限制，以此来衡量各国所取得的进步。其中第七项目标是确保环境的可持续性。为了实现这一目标，各国应该将可持续发展的原则与国家的政策项目相结合，扭转环境资源流失的局面。这与控制森林毁坏，臭氧层保护，二氧化碳排放量的减少等是相关的。根据这一目标，并考虑能源枯竭和全球变暖趋势，建立一个促进和提高可持续能源供应系统势在必行。为工业发展持续提供能源的良好能源系统必须具备以下特点全年持续不断的能量供应高可靠性，较少的维护次数低廉的建造和运营成本不存在对环境的影响在规模和运用上的灵活性较高的可观赏性。太阳能发电系统，也称为光伏（PV）系统满足了所有的这些特点，这也就是为什么位于南北纬45范围内在该范围内太阳能的资源非常的丰富的国家几乎全年都在使用太阳能资源，例如图一所示的墨西哥的太阳能能源。为了使一天之内的太阳能量供应几乎保持不变，必须要使太阳能光伏板的水平方向角在一天之内跟随着太阳的轨迹运动，这就需要设计一个自动太阳能跟踪系统。太阳能跟踪器提高了太阳能由热能转换成电能的转换效率。本文从太阳能电池板跟踪器的说明书起草，设计，制造，集成测试和运用的各个阶段进行了详细的分析。11太阳能电池板太阳能电池单元（光伏电池）大多数由单结晶硅组成，单晶硅片呈长方形，通常四个角被修剪，形成一个不规则的八面体称为晶圆。一个单独的太阳能电池单元的功率通常在1至2瓦之间。光伏模块是由光伏电池单元串联，放在一个05至1平方米的铝制框架中，该光伏模块的发电功率在50至100W之间。12太阳能跟踪器分类太阳能跟踪器主要分为主动式和被动式两种类型。被动式跟踪器利用太阳能量加热低沸点的压缩气体，在两边太阳光照不同时，利用其热量不同产生的不平衡压差来驱动太阳能电池板转向一侧。主动式跟踪器使用电动执行机构（马达和轮系）来驱动光伏阵列，该电动执行机构由响应太阳光线的角度的控制器控制。太阳能跟踪器可能是单轴（主动或被动）或（主动式）双轴形式。单轴跟踪器通常会在常年转动的方向轴上安装有手动高度调节装置。见图3和图4所示。13光伏阵列的基本结构承载光伏阵列的机械支架一定要保证在强风的条件下依旧保持正确的位置。常见的形式是一个垂直支柱连接一个根据跟踪器的轴数确定的光伏阵列支架。2太阳能跟踪器的发展21太阳能跟踪器的标准和规范跟踪器的设计是基于以下标准成本低易维护模块化符合技术规范易于在不同的位置作出调整。根据相似商业设备和光伏阵列实验设施得到的技术规范如下每日自动跟踪的水平角度为130一年的高度角变化范围为47在120公里/小时的最大风速下，依旧可以安全运行并且维持原有位置不变在每天运行的最少八小时内，光伏阵列和太阳光线的累积差异角度不超过10；每天的能量消耗要低于发电量的5。22太阳能跟踪器类型的选择根据以上规范，并基于太阳能跟踪器的评价，我们选用无传感器的主动式开环控制系统。23太阳能跟踪器的一般设计图5所示为跟踪系统的设计组成图。该系统的核心部分是嵌入式控制系统板它作为一个软件程序微控制器（数据文件，时间，执行器位置和控制信号计算结果的读取），另外还有实时时钟和时钟电池。控制器对执行机构的控制信号和簧式传感器反馈的型号作为该信号板的输入输出信号。电源取自光伏阵列，并且使用电池或电容器进行能量的补充。24太阳能跟踪器的软件设置因为在控制硬件里进行关于方向角的三角函数的运算非常困难，所以将太阳在运行的八个小时里的每小时移动的角度视为常数，可以算得这一常数为15，将算得的结果输入到微控制器的内存中。因此，跟踪器就可以根据当地的纬度，时间和日期算得太阳的位置，并且以此对光伏阵列每十五分钟进行一次角度的调整（这次期间，太阳的角度变化小于3）。25光伏阵列的机械结构设计光伏阵列由两块太阳能电池板组成，放置在对称结构的支架上（对称结构可以使得两边重量平衡），在支架的中间位置有一根旋转轴，通过轴的旋转来调节方位角。26方位角算法图8所示为太阳从日出到日落时间段内的运行轨迹，该运行轨迹在空间中相对于确定位置和日期的观察者呈一曲线。为了确定太阳在某一日期，时间，地点的具体位置，必须首先知道太阳每时刻相对于水平面的高度角或者说是俯仰角，以及太阳的方位角。方位角的测量可以采用从南到西的方向为正（例如顺指针方向）。通过上述的两个角度和高度，可以确定空间中的任何一个点。如在卫星天线安装，方向角是两个坐标之一，另一个是海拔。为了确定这些角度，首先要确定赤纬角。地球中心与太阳中心的连线与地球赤道平面的夹角称为赤纬角，赤纬角是一个变量，其计算公式如下2842345SIN6035N其中，N为从每年的一月一号算起的天数。太阳时角是当地正午与某具体时间所处的夹角，其具体计算公式如下H（12HOUROFREFERENCE）X15根据这些数据，我们可以计算得到的太阳高度角SINCOSSINH其中为当地纬度。方位角为SIICO然而，当地的地轴倾斜度决定了白天和晚上的时间，在一年中这一倾斜度随着时间的变化而变化，这就是著名的太阳时间。在太阳时和时钟显示的时刻之间有一偏差T，其计算公式如下12036SIN043COS0518SIN2068COS2TXXXA其中，X是偏离角，由下列公式计算6N根据从本初或者国际子午线算得的经度，可以计算得到当地的标准时间。该地的经度由以下公式计算得到（PRIMEMERIDIAN）/15墨西哥中央地区的经度为西经90，所以当地的太阳时为SCTT为当地时钟显示的时间。ST3制造与集成这个项目中光伏阵列由两个组件组成，均为50瓦的额定功率，面积为045平方米，重量为52牛顿，即52千克，机械结构由CAD软件设计。对于方位角的控制，由一个最大位移为46CM的电动马达执行，马达上安装有脉冲频率为11的簧式传感器。控制器的选择需要综合考虑内存的大小，速度，输入输出口的数量，与输入的电压的大小，在此我们选用PIC16F877A作为控制器。电子板的设计包括软件程序，微控制器代码的仿真。将电动执行机构集成在已经制作好的机械结构上，并且进行了方位角自由运动的测试。同时跟踪器的电子控制线路也已经制作完成，并进行了性能的测试。4性能测试和试验结果我们进行了以下数据的测量，得到了需要的数据1一天内的跟踪精度；2跟踪系统的能耗；3跟踪后产生电能的增量。为了测试跟踪精度，在一张纸上画上了一系列的同心圆，并在圆心处固定主轴。从图11中我们可以看到，在跟踪时间段内的角度误差始终限制在准则的技术要求内（小于5）。在16点之后角度误差的增大，是因为此时跟踪器停止工作，控制器控制电池板返回到第二天开始工作的起始方位。测量跟踪器的能耗的一种方法是估算电动马达的电压和电流值。为了测算跟踪式太阳能光伏板比固定式光伏板多产生的能量，可以将一个常阻值电阻器连接到发电器的终端，然后测量电阻上的电压和电流值，根据测出的数据便可以计算出跟踪式光伏板多产生的能量。图12所示为跟踪式光伏阵列和固定式光伏阵列产生的能量曲线，曲线的高度差表示能量的增加量。这个结果非常的重要，也是我们所希望的结果。图12所示在17点的时候，跟踪式和固定式太阳能发电装置所发电量相同，产生这种现象的原因在上文已经得到解释，就是因为16点的时候跟踪器停止跟踪，并且返回到初始位置。此时跟踪器不再运动，所以也没有能量的消耗。5结论和致谢太阳能跟踪器的设计，制造和测试表明其有很多商业价值的优点便携性，不同地点的可编程性，较少的组成部分和高可靠性。可以在太阳能跟踪器上安装更多的功能，例如检测模块（在学术或研究机构中很受欢迎）。将太阳光伏阵列跟踪器的低成本微控制器与之前计算得到的太阳位置文件数据相结合的控制器很不常见，我们没有找到任何
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