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太阳能利用的跟踪与聚集系统研究 摘要 太阳能是一种具有开发潜能的能源，但目前太阳能的利用率不高，理论分 析证明，采用跟踪技术可以提高3 7 7 的能量接收率，太阳跟踪装置成为国内外 学者研究的热点。 本文对太阳能利用的跟踪与聚集系统进行了研究，采用了一种基于平面镜 反射聚光的太阳能跟踪系统，提出了太阳能利用的跟踪与聚集系统的实施方案。 本文对太阳能利用的跟踪与聚集系统进行了软、硬件设计。 硬件主要包括：太阳能利用的跟踪与聚集硬件系统的单片机控制模块，温 度检测模块，光强检测模块，电流电压检测模块，步进电机驱动模块。 软件主要包括：主控制芯片的软件设计：采样和a d 转换模块的软件设计： 温度检测模块的软件设计；平面镜控制程序的软件设计：显示模块软件设计。 最后对整个太阳能利用的跟踪与聚集系统的研究进行了总结与展望。 关键词：太阳能跟踪聚光单片机 步进电机 s t u d yo nt h et r a c k i n ga n dc o n c e n t r a t i o ns y s t e mf o rs o l a r e n e r g yu t i l i z a t i o n a b s t r a c t s o l a re n e r g yi sak i n do fe n e r g yw i t hg r e a td e v e l o p m e n tp o t e n t i a l ，b u tc u r r e n t s o l a ru t i l i z a t i o ni sn o te f f i c i e n t p r o v e db yt h e o r ya n a l y s i s ，t h a ta d o p t i n gt h es o l a r e n e r g yt r a c k i n gt e c h n o l o g yc a ni n c r e a s e d3 7 7 b yt h er a t eo ft h ee n e r g y r e c e i v i n g s om a n yd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a ls c h o l a r sd e v o t ei nt h ei n v e s t i g a t i o no f s o l a rt r a c k e rd e v i c e i nt h i st h e s i s ，ad e e pr e s e a r c ho nt h er a c k i n ga n dc o n c e n t r a t i o ns y s t e mf o rs o l a r e n e r g yu t i l i z a t i o nw a sm a d e ，a l lt r a c k i n gs y s t e mb a s e do nt h et h e o r yt h a ts o l a rc a nb e g a t h e r e dd e p e n d i n go np l a n em i r r o rr e f l e c t i n gw a ss e tu p a n da ni m p l e m e n tp r o j e c t o f r a c k i n ga n dc o n c e n t r a t i o ns y s t e mf o rs o l a re n e r g yu t i l i z a t i o nw a s p u tf o r w a r d i nt h i sp a p e r ，h a r d w a r ea n ds o r w a r eo f t h e r a c k i n ga n dc o n c e n t r a t i o ns y s t e mf o r s o l a re n e r g yu t i l i z a t i o nw a sd e s i g n e d t h ed e s i g no fh a r d w a r em a i ni n c l u d e s i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o rc o n t r 0 1 m o d u l e ，t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gm o d u l e ，s o l a ri n t e n s i t yd e t e c t i n gm o d u l e ，c u n n ta n d v o l t a g ed e t e c t i n gm o d u l e ，s t e p p i n gm o t o rd r i v i n gm o d u l e 。a n ds o0 n t h ed e s i g no fs o f t w a r em a i ni n c l u d ec m o s c h i p ，s a m p l i n ga n da dc o n v e r s i o n m o d u l e , t e m p e r a t u r ed e t e c t i n gm o d u l e ，c o n t r o lp r o g r a mo fp l a n em i r r o ra n dd i s p l a y m o d u l e f i n a l l y , as u m m i n g u pa n de x p e c t a t i o no ft h er a c k i n ga n dc o n c e n t r a t i o ns v s t e m f o rs 。1 a re n e r g yu t i l i z a t i o no nt h ew h o l e w a sd e s c r i b e di nt h el a s tp a r to f t h i sp 印e r k e y w o r d s ：s o l a r e n e r g y ，t r a c k i n g ，g a t h e r - s o l a r ，s c m ，s t 印p i n gm o t o r 插图清单 图1 - 1 跟踪模式与非跟踪模式采样光强的对比3 图1 2 光照强度与输出功率的关系4 图2 1 硅电池结构6 图2 2p n 节光电效应7 图2 - 3 带有阻塞二极管和旁路二极管的太阳能电池板8 图2 - 4 太阳能电池板输出电压电流特性曲线9 图2 - 5 电路原理框图1 0 图2 - 6 焦线东西水平布置，南北跟踪1 2 图2 7 极轴式跟踪1 2 图2 - 8 基于地平坐标系双轴跟踪1 3 图3 1 太阳能电池板伏安特性曲线1 5 图3 - 2 光照强度与输出功率的关系曲线1 6 图3 - 3a t 8 9 s 5 l 管脚封装1 9 图3 - 4自动跟踪装置控制结构图2 0 图3 - 5 太阳能利用的跟踪与聚集系统总体设计框图2 2 图4 1 硬件结构框图2 3 图4 2 单片机控制模块一2 3 图4 3晶振与看门狗电路硬件图2 4 图4 4 显示器硬件连接图一2 7 图4 5a d 硬件连接( 1 ) 2 9 图4 - 6 d 硬件连接( 2 ) 3 0 图4 7r e f 产生电路3 0 图4 8 光强检测模块3 l 图4 - 9o p t 3 0 1 引脚图3 2 图4 1 0o p t 3 0 1 工作时的基本电路3 3 图4 1 1 温度检测模块接线图一3 4 图4 1 2a d 5 9 0 输出电流转电压原理图3 5 图4 1 3a d 5 9 0 接口电路原理图3 6 图4 1 4 放大电路3 6 图4 1 5 步进电机驱动电路图。3 8 图4 1 6 电压检测电路4 0 图4 1 7 电流检测电路4 0 图5 一l 主程序流程图4 2 图5 - 2 采样和a d 转换子程序4 4 图5 3t l c 2 5 4 3 的1 2 时钟传输时序图 图5 - 4 显示器8 位接口初始化 图5 - 5 显示模块流程图 图5 - 6m p u 写资料到l c u 图5 7 温度检测流程图 图5 8 平面镜跟踪程序流程图 图5 - 9 平面镜调整程序流程图 图5 - l o 步进电机运行程序流程图 图5 1 1 光强检测最大流程图 图5 1 2 光强检测最小流程图 4 5 4 6 4 7 4 8 4 9 5l 。5 1 5 2 5 3 5 4 表3 - 1 表4 1 表4 2 表4 3 表5 - 1 a t 8 9 s 5 1 管脚定义 g d m l 2 8 6 4 e i 定义 t l c 2 5 4 3 的引脚定义 霍尔元件参数表 步进电机选择表 表格清单 1 9 2 6 2 8 3 9 5 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 金罡王些态堂 或其他教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡 献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：獬i 步签字日期“年月穸日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金世王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权金照王些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：雾长尊一j 暨一 导师签名 签字日期赫莎月呷日 学位论文作者毕业后去向 f ：作单位： 通讯地址： 签字日期：石舞石月9 日 电话 邮编 致谢 本文是在导师张崇巍教授的精心指导下完成的。他严谨认真的治学态 度、一丝不苟的工作方法和兢兢业业的敬业精神，给我以深刻的影响，促 使我不断地进步和完善自己。 整个硕士阶段，张老师在学习方面为我提供了许多便利条件，在科研 方面给我导向，为我课题的开题和研究都付出了大量心血，让我深受启迪， 使我在各方面都取得了长足的进步。在论文的撰写过程中，张老师对论文 的布局和每个细节的详细审阅给我的论文定稿起到了决定性作用。张老师 在科研学术上有着自己独到的见解和领悟力，开阔、敏捷的思维，不辞辛 劳的耐心指导和谆谆教导，以及提出的许多建设性意见使我长进很快。他 平易近人的朴素作风和真诚友善的处世态度给了我巨大帮助。在此，我要 向张老师表示我最诚挚的谢意! 论文结束后，我就将踏上工作岗位，研究生阶段学习到的知识和经验 对我今后的工作和学习有着很大的帮助。在今后的日子里，我会深深怀念 这三年来的学习和科研生活。 向所有在硕士研究生阶段曾经帮助过我的老师深表谢意。还有我那些 最可爱的同学们，他们是谢震、李冰、丁金刚、鲍伟、左旭坤、王熹辉、 王科、郭之辉等。在此向他们表示感谢。 感谢我的家人和我的妻子，他们对我的关心和鼓励是对我最大的支 持，我的任何成绩都应该归功于他们的教育和支持。 谢谢大家! 恳请所有读到这篇论文的老师和同学多提宝贵意见，不吝赐教。 作者：张宝星 2 0 0 6 年5 月 1 1 课题背景 1 1 1 能源现状及发展 第一章绪论 能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，包括我国在内的绝大 多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。随着矿物燃料的日 益枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在认真探索能源多样化的途径，积 极开展新能源和可再生能源的研究开发工作。 虽然在可预见的将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料，仍将在世界能源 结构中占有相当的比重，但人们对核能以及太阳能、风能、地热能、水力能、 生物能等可持续能源资源的利用日益重视，在整个能源消耗中所占的比例正在 显著地提高。据统计，2 0 世纪9 0 年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长1 ， 而太阳能发电每年增长达2 0 ，风力发电的年增长率更是高达2 6 。预计在未 来5 至1 0 年内，可持续能源将能够与矿物燃料相抗衡，从而结束矿物燃料一统天 下的局面。 相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。 ( 1 ) 储量的“无限性” 太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用量巨大太阳放射的总辐射能量大 约是3 。7 5 x1 0 ”w ，是极其巨大的。其中到达地球的能量高达1 7 3 x1 0 “k w ，穿过 大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为8 1 1 0 ”k w 。在到达地球表面的太阳 辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为1 7 1 0 3 k w ，相当于目前全世界 一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有 4 0 亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以说是 无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性”，取之不尽， 用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源匮乏、枯竭的最 有效的途径。 ( 2 ) 存在的普遍性 虽然由于纬度的不同、气候条件的差异造成了太阳能辐射的不均匀，但相 对于其他能源来说，太阳能对于地球上绝大多数地区具有存在的普遍性，可就 地取用。这就为常规能源缺乏的国家和地区解决能源问题提供了美好前景。 ( 3 ) 利用的清洁性 太阳能象是风能、潮汐能等洁净能源一样，其开发利用时几乎不产生任何 污染，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。 ( 4 ) 利用的经济性 可以从两个方面看太阳能利用的经济性。一是太阳能取之不尽，用之不竭， 而且在接收太阳能时不征收任何“税”，可以随地取用；二是在目前的技术发 展水平下，有些太阳能利用己具有经济性。随着科技的发展以及人类开发利用 太阳能的技术突破，太阳能利用的经济性将会更明显。 1 1 2 我国太阳能资源 我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度 从南到北，自西至东，距离都在5 0 0 0 k m 以_ i ：，总面积达9 6 0 x1 0 4 k m ，占世界 陆地总面积的7 ，居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的 太阳能资源。全国各地太阳能总辐射量为3 3 4 0 8 4 0 0 m j ( 州2 a ) ，中值为 5 8 5 2 m 5 ( m 2 a ) 。我国太阳能资源丰富和比较丰富的i ，i i ，i i i 类地区，年日 照时数大于2 2 0 0 h ，太阳辐射总量高于5 0 1 6 5 8 5 2 m 3 ( ，1 2 a ) ，面积约占全国总面 积的2 3 以e 。 1 2 课题意义 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，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，仍为国内外学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手， 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，如果它的集热装鼍能始 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 的使用面积内收集更多的太阳能。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 k p c h e u n g 和s c m h u i 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：太阳的跟踪与非跟踪，能量的接收率相差3 7 7 ，精确的跟踪太阳可使接 收器的热接收率大大提高，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。 图卜1 是跟踪模式与非跟踪模式采样光强的对比。 2 时间h 图1 - 1 跟踪模式与非跟踪模式采样光强的对比 另一方面在光伏系统研究方面，针对太阳能电池板的输出特性，现在研究 最多的是最大功率点跟踪m p p t ( m a x i m u m p o w e r p o i n tt r a c k i n g ) 控制来实时跟踪 太阳能电池板的最大功率点，太阳能电池的最大功率点跟踪控制是为充分利用 太阳能。使太阳能电池始终输出最大电功率的控制，最大限度地从太阳能电池 板汲取能量，使用m p p t 仅仅能够达到在一定光照条件下的最大功率，而并不是 太阳能电池板的最大出力电池板的大部分潜力没有得到应用，如果进一步对太 阳电池板采用聚光的办法，聚光是为了在一定面积的太阳能电池板上聚集尽可 能多的太阳光，从而使太阳能电池板始终工作在最大( 或者尽可能大) 功率状态 下，那么只要增加光照强度就可以使输出功率增强。它的另外的好处是光电转 换效率高，并且价格低( 采取聚光办法的太阳电池转换效率为1 8 3 0 ，比普 通太阳电池高的多，l 硎2 的聚光电池在标准光强下聚光度为4 0 0 6 0 0 倍聚光 后，输出功率达6 i o w 以上，而同等面积的没有进行聚光的平板式太阳电池输出 功率仅1 2 1 4 m w 。 本文采用的利用多个平面镜反射来聚光，增加了光照强度可以使太阳能电 池板输出功率增强，但当光强增长到一定的强度时，输出功率的增长基本趋于一 条直线，如图卜2 ，而且跟踪系统较为复杂，所以适合于低倍聚光，它能更进一 步的提高太阳能电池板的利用效率，使太阳能电池板工作在几倍的光强条件下， 可以提高单位面积太阳电池的输出功率，大大降低光伏发电的成本，具有很好的 应用前景。 蹦乒二 图卜2 光照强度与输出功率的关系 1 3 国内外研究现状 在太阳能跟踪方面，美国b i a c k a c e ，在1 9 9 7 年研制了单轴太阳跟踪器，完 成了东西方向的自动跟踪，而南北方向则通过手动调节，接收器的热接收率提 高了1 5 。1 9 9 8 年关国加州成功的研究了a t m 两轴跟踪器，并在太阳能面板上装 有集中阳光的涅耳透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量，使 热接收率进一步提高。2 0 0 2 年2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装 置，该装置利用控制电机完成跟踪，采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻， 大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这 方面的研究，1 9 9 2 年推出了太阳灶自动跟踪系统，1 9 9 4 年太阳能杂志介绍 的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。 在聚光方面，1 9 7 5 年以后，美国和欧洲开发出各种聚光器，并进行了实验室 试验。目前，国外大多数研究活动集中在点聚焦或线性f r e s n e l 透镜聚光系统以 及聚光电池的研究开发上，国内还未见对聚光光伏发电系统进行深入研究。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文研究的重点是太阳能电池板在聚光条件下的跟踪控制，侧重于以单 片机为核心的软硬件控制的设计；采取增加光强的办法使太阳能电池板工作在 最大或尽可能大的功率状态下。 论文的具体内容分为六章来阐述，安排如下： 第一章阐述课题背景，课题研究的意义，国内外研究现状以及本篇论文的 结构。 第二章简要介绍了太阳能电池板的工作原理及输出特性，现有的一般进行 太阳跟踪的方法与原理。 第三章阐述实现跟踪控制方案的选择及太阳能利用的跟踪与聚集系统的总 4 体设计。 第四章介绍了太阳能利用的跟踪与聚集系统的硬件电路设计，给出总体设 计思路，再分模块具体说明。 第五章介绍了太阳能利用的跟踪与聚集系统的软件设计，先给出主程序框 图，再分模块介绍。 第六章给出了本论文的结论及研究的展望。 第二章太阳能电池板及跟踪方法的研究 2 1 太阳能电池板 2 1 1 太阳能电池工作原理 目前，太阳能电池有单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。外形结构有 圆形和方形两种，结构如图2 - 1 所示。这是一种n p 型太阳能单晶硅电池，厚 度为0 4 m m 以下，上层表面为n 型层，是受光层，它和基体在交界面处形成一 个p - n 结。在上表面加有栅状金属电极，可提高转换效率；另外在受光面上， 覆盖着一层减反射膜，它是一层很薄的天蓝色氧化硅薄膜，用以减少入射太阳 光的反射，使太阳能电池对于入射光的吸收率达到9 0 以上。 太阳光 n p 图2 - 1 硅电池结构 对于半导体材料而言，当其中的p - n 结处于平衡状态的时候，在p n 结处有 一个耗尽区，存在着由n 区指向p 区的势垒电场，如图2 2 ( a ) 所示。当每一个入 射光予的能量大于半导体能带e g 。即整个入射太阳光的能量大于硅禁带宽度的 时候，太阳光子照射入半导体，把电子从价带激发到导态，在价带留下一个空 穴，产生了一个光生电子一空穴对。光生电子一空穴对在空间电荷区中产生后， 立即被势垒电场分离，光生电子被推向n 区，光生空穴被推向p 区。在n 区和p 区 中产生的光生电子一空穴对会向p n 结交界面处扩散，当达到势垒电场边界时， 立即受到势垒电场的作用，使光生电子留在n 区，光生空穴留在p 区。而在n 区中 的光生空穴由于内建电场的作用被推n p 区，p 区中的光生电子同样被推到n 区。 最后就形成了n 区中积累了过剩的电子，p 区中积累了过剩的空穴，而在p n 结两 侧形成了与势垒电场方向相反的光生电动势，如图2 - 2 ( b ) 所示。这就是所谓的 “光生伏打效应”。当光电场接上负载后，电流就从p 区经由负载流至n 区，负 载中即得到功率输出。 6 f 嚣 一l +铲o oi 三l ： 妒铲i 一i +胛i l 花荩区 鲁蠢 i ) 平时 先生毫奠 - _ o _ 一 先射 图2 - 2p - n 节光电效应 2 1 2 太阳能电池的分类 1 9 5 4 年，贝尔实验室用硅单晶材料制成第一只具有实用价值的硅太阳电池。 从此，光伏技术开始引起人们的倍加关注。太阳电池的研究则成为光伏技术中 最活跃、成就也最大的一个重要分支。经过几十年的发展，太阳电池在材料、 结构、性能及应用等方面得到了长足的进步。 太阳电池主要可以分为硅太阳电池和化合物半导体太阳电池两大类。 1 硅太阳电池 硅是地球上第二位最丰富的元素，而且无毒性，用它制作的太阳电池效率 也很高，因此它是最适于制作太阳电池的半导体材料。1 9 9 7 年世界上太阳电池 年产量约为，1 2 0 m w ，其中9 9 以上为硅太阳电池。在硅太阳电池中又可分为单 晶硅、多晶硅和非晶硅太阳电池三类。 ( 1 ) 单晶硅和多晶硅太阳电池 单晶硅和多晶硅太阳电池是对p 型( 或n 型) 硅基片经过磷( 或硼) 扩散做p n 结 而制得的。单晶硅太阳电池效率高、寿命长、性能优良，但成本高，而且限于 单晶的尺寸，单片太阳电池面积难阱做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低， 单片电池也可以做得比较大，效率比单晶硅电池低。单晶硅效率为1 3 - 1 5 ， 多晶硅效率为1 1 一1 3 。 ( 2 ) 非晶硅太阳电池 由于非晶硅对太阳光的吸收系数大，因而非晶硅太阳电池可以做得很薄， 通常是单晶硅或多晶硅电池的五百分之一，所以制作非晶硅太阳电池资源消耗 少。目前效率为8 一1 0 。 2 化合物半导体太阳电池 在化合物半导体太阳电池中，目前研究应用较多的有f i a a s ，i np ，c u i n s e 2 和c d t e 太阳电池。由于化合物半导体或多或少有毒性，容易造成环境污染，因 此产量少，常常用在一些特殊的场合。 当今世界上光伏发电已进入加速发展阶段，近两年太阳电池组件的年增长 率高达3 0 左右，预计今后十年内太阳电池将以平均2 0 的年增长率增长。单 晶硅、多晶硅及非晶硅太阳电池将在今后2 0 年各占相当市场。 2 1 3 太阳能电池板工作原理 太阳能电池板，又称为太阳能电池阵列，即由若干片能独立作为电源最小 单元的太阳能电池单体组合而成。阵列是人们根据所需要的电压、电流，把太 阳能单体按一定的方式联接而成。具体如图2 3 所示。图中虚线代表并联或者串 联的单体但是，一个由众多的太阳能电池联成的电池板，其效率总是低于单个 电池，并且整块电池板可能会出现由于外部原因而使电池板的某一部分被遮挡， 而其余部分仍然处于阳光下的情况。出现这种情况以后，局部被遮挡的那部分 电池就必须由其它的未被遮挡的那部分电池来提供所需要的全部或者部分功 率，这就使得某些太阳能电池如同工作在反向电流下的二极管那样，其电阻和 压降都很大，从而吸收功率而导致发热，久而久之会损坏电池，也就是人们常 说的“热斑”。对于太阳能电池板来说，当有“热斑”产生的时候，会降低太 阳能电池板的寿命，甚至还会损坏整个光伏系统。因此，人们通常采用旁路二 极管( b y p a s sd i o d e s ) 方法来防止串联电路中的个别太阳能电池单体由于被遮挡 而导致的损坏和电池板通过被遮挡部分的太阳能电池单体而造成功率损失。采 用阻塞二极( b l o c k i n gd i o d e s ) 方法来防止某一并联支路被遮挡而导致与太阳能 电池板解裂时，损坏该并联支路中所有相串联的太阳能电池。具体如图2 3 所示。 图2 - 3 带有阻塞二极管和旁路二极管的太阳能电池板 2 1 4 太阳能电池板的输出特性 太阳能电池有单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池。单晶硅太阳电池效 率高、寿命长、性能优良，但成本高，而且限于单晶的尺寸，单片太阳电池面 积难以做得很大。多晶硅电池成本比单晶硅低，单片电池也可以做得比较大， 效率比单晶硅电池低。单晶硅效率为1 3 - 1 5 ，多晶硅效率为1 1 一1 3 。 太阳能电池板，又称为太阳能电池阵列，即由若干片能独立作为电源最小 单元的太阳能电池单体组合而成。阵列是人们根据所需要的电压、电流，把太 阳能单体按一定的方式联接而成。 太阳能电池板的输出特性主要受日照强度和温度的影响较大，太阳能电池板的 输出特性具有以下特点： ( 1 ) 太阳能电池的输出特性近似为矩形，即低压段近似为恒流源，接近开路电压 时近似为恒压源； ( 2 ) 开路电压近似同温度成反比，短路电流近似同日照强度强成正比：太阳能 电池板的输出功率随着光强和温度成非线性变化； ( 3 ) 输出功率在某一点达到最大值，该点即为太阳能电池板的最大功率点( m p p ， m a x i m u mp o w e rp o i n t ) ，且随着外界环境的变化而变化； 5 4 i a 3 2 1 叭 图2 - 4 太阳能电池板输出电压电流特性曲线 2 2 太阳跟踪的常用方法 跟踪太阳的方法有很多，但不外乎采用这两种方式：光电跟踪和根据视日运 动轨迹跟踪。后一种跟踪方式又可以分为双轴跟踪和单轴跟踪。 2 2 1 光电跟踪 国内常用的光电跟踪装置有：重力式光电跟踪装置；电磁式光电跟踪装置： 电动式光电跟踪装置。这些光电跟踪装置都使用光敏传感器，如硅光电管，光 9 电管靠近遮光板，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，遮光板的阴影随之移动，光电管受到阳光直射，输出一定值的 微电流，发出偏差信号，经放大电路放大，控制跟踪装置对准太阳，完成跟踪。 光电跟踪的优点是灵敏度高，结构设计较为方便。其缺点是受到天气的影响很 大。如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况太阳光线往往不能照到硅 光电管上，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作。 下面简要介绍一下太阳能电池板的光电跟踪经常用到的两种方法： 1 太阳能电池板光强比较法 把两块完全相同的太阳能电池板按照一定的角度连接成“人”字型，它们 既用作光电转化的电池，也起光敏器件的作用。太阳光垂直照射地面时，两块 电池板上得到的太阳光的能流密度完全相等，产生的光电流大小相等，此时控 制它们方位的电动机不工作。入射太阳光与地面的夹角改变时，如果甲电池板 得到太阳光的能流密度大于乙电池板得到的能流密度，则甲电池板产生的光电 流强度就大于乙电池板的光电流强度，利用这一信号驱动电动机转动，使得电 池板与太阳光的夹角同光垂直于地面时完全相同。其优点为调节较为精确，电 路也比较简单，但两个电池板之间的夹角始终存在，永远无法达到真正意义上 的垂直。 2 光敏电阻光强比较法 利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将两个完全相同的光敏电阻 分别放置于一块电池板东西方向边沿处的下方( 光与电池板垂直时一半可接收 光，一半在下边) 。如果太阳光垂直照射太阳能电池板时，两个光敏电阻接收到 的光照强度相同，所以它们的阻值完全相等，此时电动机不转动。当太阳光方 向与电池板垂直方向有夹角时，接收光强多的光敏电阻阻值减小，驱动电动机 转动，直至两个光敏电阻上的光照强度相同。其优点在于控制较精确，且电路 也比较容易实现。 电路原理框图如下所示： 数据处理 图2 - 5 电路原理框图 1 0 其控制主要由以下三部分来完成： a )信号采集部分 用光敏电阻实现信号采集的电路原理为桥式电路，电路的输出信号只与照射 在两个光敏电阻上光强的相对值有关，不受外界环境的影响，增加了装置的 抗干扰能力。 b ) 数据处理部分 采用非倒向放大接法，由运算放大器及其外围电阻组成线性放大单元。零电 位调整单元以抵消零点漂移的直流信号。因调零后包含一定量的负脉冲信 号，用反相单元为下一级电路提供正电压信号。对输入信号进行判断，当输 出信号的强度大于一定值时，给下一级一个高电平信号；反之，提供低电平 信号，这样能屏蔽一些微小信号的扰动，使系统的工作更稳定。 c ) 控制单元 根据前一级送出的触发信号，控制电动机的工作状态。由于继电器在实现逻 辑过程中需要的吸合电流较大，会造成整体电路的耗电增大；另外，继电器 的反应速度很慢，灵敏度不高，会造成设备整体灵敏度及精确度下降。为了 降低整个电路的功耗，提高控制灵敏度，采用晶闸管对电动机进行控制。 2 2 2 视日运动轨迹跟踪： 1 单轴跟踪 单轴跟踪一般采用以下三种跟踪方式：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布 置，东西跟踪；焦线东西水平布置，南北跟踪。这三种方式基本上都是单轴转 动的南北方向或东西方向跟踪，工作原理基本相似。以第三种跟踪方式为例， 阐述单轴跟踪的原理。图2 6 是这种跟踪方式的原理。跟踪系统的转轴( 或焦线) 系东西方向布置。然后根据太阳赤纬角的变化使柱形抛物面反射镜绕转轴作俯 仰转动，以跟踪太阳。采用这种跟踪方式时，一天之中只有正午时刻太阳光与 柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大。而在早上或下午太阳光线都是斜射， 所以天之中热流的变化比较大。采用单轴跟踪方式的特点是结构简单，但是 由于入射光线不能始终与主光轴平行，从收集太阳能来说并不理想。如果能够 在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟 踪即双轴就是根据这样的要求而设计的。 太阳 天顶 南 图2 - 6 焦线东西水平布置，南北跟踪 赤道 2 双轴跟踪 双轴跟踪又可以分为两种方式：极轴式全跟踪和高度角方位角式全跟 踪。极轴式全跟踪原理如图2 7 所示。聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自 转轴相平行，故称为极轴。另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。工作时反射镜面 只须绕极轴用与地球自转角速度大小相同方向相反的固定转速，以跟踪太阳的 视日运动。此外再按照季节的变化间断地将反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动以适 应赤纬角的变化。这种跟踪方式并不复杂，只是反射镜的重量并不通过极轴轴 线，使极轴支承装置的设计比较困难。 太阳 天顶 图2 7 极轴式跟踪 券纬轴 跟踪太阳位置的变化可以使用多种参考坐标系，最为常用的是地平坐标系 和极轴坐标系。 极轴坐标系统 太阳在一天中的运行是由于地球自传引起的。地球绕极轴以每小时1 5 。的速 度自西向东转动。为了使聚光器能够跟踪太阳的运行，可以使聚光器以相同的 角速度绕极轴( 或其平行线) 自东向西转动，从而补偿由于地球自转引起的太阳 位置变化。在极轴坐标系下，可以根据当地时间方便地确定太阳的角度位置。 地平坐标系统 由于采用地平坐标系统的聚光器的支撑结构比较简单，对于较大的系统， 工程中常采用地平坐标系统在一天当中，地平坐标系统的俯仰角和方位角同时 发生变化。其高度角和方位角也可由当地的时间和纬度计算出来。高度角0 ： o o s ( 南l = s i n o = s i n 6 s i n + c o s 占c o s 庐c 。s c z ， 式中，j 是赤纬，口是当地的纬度，是时角 方位角，可计算如下：根据球面直角三角形的运算公式，参考图2 - 3 ，可 得：c o s ，：c o s z e o g 参考图2 4 ，可得：c o s e o g = c o s o ) c o s 8 ：因此： c o s y ；c o s o ) c o s b ( 2 2 ) c o s 0 地平坐标系跟踪方法是目前比较先进的一种跟踪方法，跟踪精度比较高。 其原理如图2 - 8 所示。聚光镜的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直， 称为俯仰轴。工作时使聚光镜根据太阳的视日运动绕方位轴转动以改变方位角， 同时绕俯仰轴作俯仰运动以改变聚光镜的倾斜角，从而使反射镜面的主光轴始 终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，聚光镜装置的重量保 持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。 高度角方位角式全跟踪方法基于地平坐标系，跟踪太阳的高度角口和 方位角口，所以此种太阳跟踪器有一根垂直于水平面的方位角和一根平行于当 地水平面的俯仰轴，实现对太阳的跟踪。 天项 太刚 图2 - 8 基于地平坐标系双轴跟踪 俯仰轴 其它坐标系统 除上面介绍的两种主要的坐标跟踪系统之外，还有很多其它的坐标方式。 文献 1 3 中介绍了一种双轴跟踪机制。文献 1 4 介绍了子午坐标系，其坐标也 可以方便地和地平坐标系变换。 4 第三章太阳能利用的跟踪与聚集系统设计 3 1 跟踪控制方案的选择 3 1 1 关于太阳能电池最大效率点的跟踪 在光伏系统研究方面，针对太阳能电池板的输出特性，现在研究最多的是 最大功率点跟踪m p p t ( m a x i m u mp o w e r p o i n tt r a c k i n g ) 控制来实时跟踪太阳能电 池板的最大功率点，太阳能电池的最大功率点跟踪控制是为充分利用太阳能， 使太阳能电池始终输出最大电功率的控制，最大限度地从太阳能电池板汲取能 量，在太阳光照强度和温度条件改变时，m p p t 系统需要从新进行调整，计算。而这 两个条件正是太阳能电池板上最容易改变的条件 使用m p p t 仅仅能够达到在一定光照条件下的最大功率，而并不是太阳能电 池板的最大出力，电池板的大部分潜力没有得到应用，如果进一步对太阳电池 板采用聚光的办法，其中聚光是为了在一定面积的太阳能电池板上聚集尽可能 多的太阳光，从而使太阳能电池板始终工作在最大( 或者尽可能大) 功率状态下， 那么只要增加光照强度就可以使输出功率增强。 根据太阳电池的伏安特性，如图3 - i 所示，通过调节太阳能电池板上的光 强使电池板输出效率达到最大。 b l s c e v o c e v o c b 圈3 一l 太阳能电池板伏安特性曲线 国内外采用的聚光方法 凸透镜聚光 折面形抛物柱聚光 平面镜聚光 本文选择采用的利用多个平面镜反射来聚光，成本比较低，利于以后大面 积的推广。 聚光增加了光照强度可以使太阳能电池板输出功率增强，但当光强增长到 一定的强度时，输出功率的增长基本趋于一条直线，如图3 2 ，而且跟踪系统较为 复杂，所以适合于低倍聚光。在选择反射聚光的平面镜的数量上。最终本文选 用四个平面镜反射来进行聚光。 4 0 0 瓷 邕 i 2 0 0 凸一 e 1 ( k w m a ) 图3 - 2 光照强度与输出功率的关系曲线 3 1 2 实现跟踪控制的方案选择 1 跟踪控制方式的选择 由上述讨论可知，为了在太阳能电池板上获得更多的光照强度，采取了用 四个平面镜反射，因此太阳光是照到平面镜上的，然后每个平面镜反射太阳光 到太阳能电池板上，太阳能电池板是不需要跟踪太阳光的，需要进行跟踪太阳 光的是平面镜，太阳能电池板是固定不动的。 如果每个平面镜采用了上章所述的光电跟踪或者视日运动轨迹跟踪，即每 个平面镜都获得了最大的光强，但由于每个平面镜反射角度的不同，反射到太 阳能电池板上的光照强度却不一定大，所以每个平面镜单独采取光电跟踪或者 视日运动轨迹跟踪的办法是不行的。系统需要获得是每面平面镜反射到太阳能 电池板上的光强尽可能为最大。考虑到即使每个平面镜不是垂直于太阳光的， 但是如果四个平面镜反射的太阳能光强之和比一面垂直反射太阳光的平面镜所 反射的光强大，那么这种方案就是可行的，显然这是可以办到的。 在每面平面镜的跟踪控制上，本文采取视日运动轨迹跟踪中的双轴跟踪的 办法，采用步进电机双轴驱动，这样平面镜的跟踪调整机构将有更大的调整余 地，会反射到太阳能电池板上更多的光，但由于反射角度的限制，所以不能采用 程序控制，通过数学上对太阳轨迹的预测。从理论上精确地跟踪太阳运行轨迹。 1 6 只是需要通过对平面镜反射的光强大小进行判断来调整平面镜的两个驱动轴， 控制它的反射角度；另外获取光强信号需要光电传感器，所以也需要采用光电 跟踪的办法，在太阳能电池板上设置光强传感器，获取光强信号来比较判断太 阳光强度的大小，从而控制平面镜的跟踪。 在太阳能电池板上设置传感器进行跟踪是通过光敏元件的输出，判断平面 镜反射的角度是否为最佳，反射的光强是否为最大。通过平面镜与理想位置的 偏差调整驱动装置的运动状态，从而调整平面镜位置使反射的角度是为最佳。 光敏元件可以是光电池或光敏电阻等感光器件。 在传感器跟踪方面，文献 1 6 介绍了光电池金字塔式布置的方法。当聚光 镜轴线指向太阳时，两片反向安装的光电池电压相等，差值为零；当聚光镜轴 线偏离太阳时，由于太阳入射角不同，两电池所受到的辐照度产生差异，引起 了电压的差异：差异经放大后，通过驱动电路驱动电机，调整聚光镜的位置， 使其轴线指向太阳。文献e 1 5 介绍的方法使用了光敏电阻。传感器跟踪也存在 响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天 气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额 外磨损。 如果将光电跟踪或者视日运动轨迹跟踪两者结合，各取其长处，就可以获 得较满意的跟踪结果。文献 1 7 介绍了这种跟踪方式的一个实例。 综上所述，本论文的控制方式选择采用了平面镜步进电机双轴驱动跟踪和 传感器跟踪相结合的控制方式。每个平面镜通过在垂直和水平两个方向上的调 整跟踪，并利用太阳能电池板上的光电传感器件对平面镜做自动定位，采用程 序控制的方式，利用软件定时对四个平面镜依次调整定位。 2 控制核心部件的选择 模拟控制是位置传感器通过闭环模拟电路驱动电机调整平面镜位置，使平 面镜反射的角度是为最佳的一种方法。其优点是构造相对简单，造价低廉。但 同样存在很多的缺点，比如精度差、适应性差等。 可编程控制器是以计算机技术为基础的新型工业控制装置。具有可靠性高、 编程简单、通用性强、体积小、结构紧凑、安装维护方便等优点。但价格昂贵、 功耗大。 单片机功能强大，与模拟控制相比控制精度高，可控制量多，控制适应性 强；与可编程控制器相比又有价格低廉等优点。 本论文所述的系统采用了以单片机为核心的控制系统。 c p u 的选择： 目前市场上的单片机从数据总线宽度上来分主要有8 位机、1 6 位机、3 2 位机， 其中的3 2 位单片机近年来在信号分析与处理、语音处理、数字图象处理等数字 信号处理运用领域得到广泛的运用，但在工业测控现场，占主导地位的还是8 位 机和1 6 位机，对本课题运用单片机的主要目的是实现数据采集、步进电机的控 制，它所处理的信息量和复杂程