1、摘 要 通過分析全國日照時數表得出:開環系統在太陽能光伏工程中效率不高而并不適合采用。為合理地利用太陽能,提高其跟蹤效率而采用混合控制系統。文中著重分析了雙軸跟蹤的原理,提出了手動式方位角跟蹤和自動式八方位高度角跟蹤,引出了分級接收跟蹤原理,設計了軟件流程并和一套任意方位跟蹤系統。運行結果表明,該系統能實現太陽光任意方位檢測并迅速跟蹤,有效降低系統運行功耗,減少機械結構損耗,跟蹤精度可調,可望在太陽能光伏工程中獲得應用。并促進太陽光的接收效率。【關鍵詞】 太陽能跟蹤系統；時空控制；光強控制；跟蹤傳感器AbstractThe open system is not suitable for ado

2、ption in solar photovoltaic engineering because of its inefficiency through analyzing the national sunshine duration table.Using the mixture control system can enhance its track efficiency and make full use of solar energy reasonably.The paper analyzed the two axle track principle emphatically,then

3、proposed the manual azimuth tracking and the automatic altitude angle tracking of 8 positions,educed hierarchical receive track principle,designed the software flow and a suit of arbitrariness azimuth track system.Running results indicated that the system can accomplish solar arbitrariness azimuth d

4、etection and tracking rapidly,fall running power consume efficiently,reduce consume of mechanical structure,and have adjustable tracking precision.It may obtain applications in solar photovoltaic engineering.【Key words】 solar Automatic tracking system；time and space control；light intensity control；s

5、olar tracking sensor目 錄第一章 引言 11.1 綜述 11.2 太陽能自動跟蹤系統現狀 11.3我國光伏太陽能發電前景 2第二章 自動跟蹤器的結構與原理 4第三章 機械控制部分 73.1 主要結構 73.2機械系統的組成 83.3機械系統的安裝 8第四章 電子控制部分 114.1電路主要組成部分 114.2軟件設計 11附錄 13參考文獻 16致 謝 18第一章 引言1.1 綜述隨著現代工業的發展，全球能源危機和大氣污染問題日益突出，太陽能這個清潔的可再生能源，已受到許多國家的高度重視和利用。我國是一個太陽能資源較為豐富的國家，且分布范圍較廣，因此充分利用太陽能資源，有著

6、深遠的能源戰略意義。由太陽能電池板的特性可知，它的發電量與照射到它上面的光照強度成正比，而接受太陽的直射光，可以得到太陽的最大光照強度。試驗證明，采用相同功率的太陽電池板，自動跟蹤式光伏發電設備要比定式光伏發電設備提高發電量至少在25%以上，成本下降20 。由于太陽的位置每時每刻都在變化，若想在太陽能電池板上得到最大輸出功率，就必須要太陽能電池板隨時跟隨太陽的運動軌跡運動，才能保證太陽光始終垂直照射到太陽能電池板上。為實現太陽光始終垂直照射到太陽能電池板上這一目的，就需要用太陽光自動跟蹤控制系統。發展該系統有助于太陽能的充分利用，符合我國構建和諧社會，發展集約型社會的根本要求。1.2 太陽能自

7、動跟蹤系統現狀 目前，我國國內的跟蹤器基本有兩大類：一類是純機械式的跟蹤器；一類是機電一體化的跟蹤器。壓力差式跟蹤器的原理是：當入射太陽光發生偏斜時，密閉容器的兩側受光面積不同，會產生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對準太陽。根據密閉容器內所裝介質的不同，可分為重力差式，氣壓差式，和液壓式。該機構結構簡單，制作費用低，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是，該機構只能用于單軸跟蹤，精度很低 1。時鐘式跟蹤器是一種主動式的跟蹤器，有單軸和雙軸兩種形式。其控制方法是定時法：根據太陽在天空中每分鐘的運動角度，計算出太陽光接收器每分鐘應轉動的角度，從而確定出電動機的轉速，使得太陽光接收器根

8、據太陽的位置而相應變動。其特點是電路簡單，但由于時鐘累積誤差不斷增加，系統的跟蹤精度很低；同時需外接電源，日夜不停的運轉，浪費能源 1。控放式太陽能跟蹤器在太陽能接收器的西側放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉動力，并利用控放式自動跟隨裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉動力，使太陽光接收器向西偏轉運動。該機構成本低廉，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是該機構不能自動復位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復位機構；而且該跟蹤器只能用于單軸跟蹤，精度低 2。1.3 我國光伏太陽能發電前景我國于1958年開始研制太陽能電池1959年第一塊有實用價值的太陽電池誕生，1971年

9、3月首次應用太陽電池作為科學實驗衛星的電源，開始了太陽電池的空間應用。1973年3月首次在燈浮標上進行應用太陽電池供電的試驗，開始了太陽電池的地面應用 3。至今我國的光伏太陽能取得了巨大的發展。原國家經貿委在20002015年新能源和可再生能源產業發展規劃要點中就實現“建立太陽電池與應用系統生產體系，降低產品成本”時提出，集中力量在現有太陽電池生產和應用的基礎上，適應國際光電技術發展趨勢和國內外市場發展形勢，開拓市場，打破年產量徘徊在2MW左右的局面。通過國家重點扶持、推動第二代太陽電池產業化，形成器件配套齊全的太陽能光伏產業。2015年全國太陽電池發電系統市場擁有量將達到320MW。通過生產

10、規模的擴大，降低太陽電池生產成本，從而推動市場的發展，形成良性循環。在太陽電池市場中通信及工業光伏系統將從目前的40%50%。到2015年中國將開始大規模發展并網式屋頂光伏系統 4。表1-1 我國太陽能全年日照分布統計表第二章 自動跟蹤器的結構與原理根據太陽運行的規律，任意時刻太陽赤緯角和太陽時角都可以通過天文公式計算得到。在天體幾何學中，由太陽赤緯角和太陽時角及觀察點的地理位置等參數，太陽在天空中的軌跡可以被精確地計算得到。由計算得到的太陽位置，利用邏輯控制元件，控制步進電動機，使太陽光伏陣列準確地朝向太陽光入射的方向，這種太陽跟蹤方法就稱為太陽位置計算式跟蹤 5。目前，太陽位置式跟蹤方式常

11、用的邏輯控制元件主要有單片機、數字信號處理器（DSP）、可編程序邏輯控制器（PLC）及PC機 。基于PC機的太陽位置式跟蹤方法，其成本相對于其他幾種實現方式較為昂貴，但是由于PC機具有強大的數據存儲及計算能力，可以用來完成較為復雜的運算，所以在對計算精度要求較高的場合，一般采用它來進行控制，如天文臺和氣象臺對太陽的觀測。另外在大規模的太陽光伏電站中，也可以使用PC機對太陽光伏陣列實現集中控制，可以收到控制精度高、平均成本低的效果。對于單臺或少數的太陽跟蹤系統，前幾種控制器使用較多，相對而言，單片機系統具有較高的性價比，因此目前使用最為普遍 6,7,8。本文采用了基于太陽位置計算的主動式控制方案

12、。與一般的主動式控制方案不同，為了提高跟蹤系統的可靠性與精確度，并降低跟蹤控制系統的控制復雜度，使用了旋轉編碼器對太陽光伏陣列的位置進行反饋，對光伏陣列實行閉環控制；為了識別陰雨等天氣，適應不同的天氣狀況，使用了光敏二極管檢測外界太陽光照射強度，并結合時間等參數，生成跟蹤控制系統開關機信號。本文所研究的太陽跟蹤控制系統工作原理如圖2-1 6所示 。圖2-1太陽光跟蹤系統原理首先，利用光敏傳感器檢測周圍環境中太陽光的輻射強度，當其輻射強度能夠使系統中所配備的光伏逆變器開機工作時，啟動自動跟蹤系統，對太陽進行自動跟蹤。然后，根據天文時間，光伏系統所在地經度、緯度等參數，利用天文公式，計算光伏發電系

13、統安裝地的太陽位置，并在地平坐標系中，以太陽高度角和太陽方位角表示出來。通過位置傳感器檢測光伏陣列當前所處的位置，并與數字處理器計算出的太陽位置相比較，如圖2-2 6所示，角即為二者的差值，大于系統中所設定的閾值時，起動步進電動機系統，使電池板向太陽光入射方向旋轉，直到太陽光能夠直射照射光伏陣列表面。圖2-2跟蹤系統示意圖除主控功能外，跟蹤系統還設計了自我保護功能，當軟件控制系統發生故障，步進電動機系統失去控制時，起動后難以再通過軟件使其停止，如果此種情況出現而且得不到處理，光伏陣列的機械結構和太陽電池板將面臨損壞的危險，為防止此種情況的出現，本系統配置了限位開關，如圖2-2a.b所示（圖中僅

14、為向下的位置保護限位開關9，在太陽電池板轉動越限后，光伏方陣安裝框架將觸發限位開關，限位開關控制的繼電器將切斷驅動系統電源，達到保護系統安全的目的 10。當出現大風天氣時，控制器將使太陽光伏陣列復位，以減小其迎風面積，使其處于安全狀態。電網停電時，為防止停電期間出現大風天氣，需立即將太陽光伏陣列復位，另外由于本系統為并網光伏發電系統，電網停電時，跟蹤系統所配備的小并網逆變器無法并網發電，會自動停機，繼續對太陽進行跟蹤已毫無意義，所以將太陽光伏陣列復位 11,12 。第三章 機械控制部分3.1 主要結構 探測頭是太陽跟蹤系統的光信號接收器,靈敏度的高低直接影響跟蹤精度。經過大量實驗研究,選用質量

15、輕、美觀、耐腐蝕的鋁合金材料擾電接收管經過嚴格的計算、定位、以保證其檢測靈敏度。跟蹤控制器是跟蹤系統的核心,因而也就是專題攻關的工作重點,經過研究和優化設計,應用集成LM339芯片,采用模擬差壓比較原理以及89C51單片機研制的控制器具有跟蹤精度高、范圍寬、自動返回及自動定位功能,限位裝置具有東、西、上、下、中、后五個方位的極限限位功能。采用雙重限位控制結構,即控制信號限位和驅動電機限位,保證設備可靠工作。圖3-1 LM339集成電路圖3-2 89C51中心控制電路示意圖機械傳動機構是跟蹤的執行機構,它不但承受裝置的重量、風力,還在室外工作,而且直接影響整機精度。經過研究,水平傳動和仰角傳動采

16、用TG-24ZYJ 1-3W 12,低噪音,永磁直流諧波減速電機,以保證機械精度和傳動效率。3.2 機械系統的組成機械轉動部分由兩個電機、兩根筒柱(一根支撐筒柱和一根跟蹤筒柱、一個有機玻璃盒子、兩個電機鉆頭夾、三個鎖定夾。太陽運動的時角自東向西勻速變化,好比24h一周的時鐘,而太陽的赤緯角變化非常緩慢,全年僅變化正負23度17分,基于上述特點,故采用永磁直流諧波減速電機 13。電機是機械系統的核心部件,它有以下特點:積累誤差小。永磁直流諧波減速電機每轉動一次是1分鐘13轉是一定的,因此跟蹤的快慢可以取決于輸入電壓的高與低,使得轉速跟蹤太陽更精確。干擾能力強:永磁直流諧波減速電機不僅不干擾單片機

17、的正常運行,它還具有抗風、自鎖特性,因此這種電機的跟蹤裝置不受氣候的影響,可24小時全天候跟蹤。耗電率小、電機噪音低、造價低廉等特點。3.3 機械系統的安裝鋁筒管的鋼度比較小,所以安裝電機比較方便,但在外力作用下很容易變形,為了克服這個缺點使電機的固定整齊美觀,應用兩個鎖定夾鎖定成型后,再把另一端固定在有機玻璃盒子上且用三角形狀的有機玻璃固定。由于一年四季、早晚和中午環陽光的強弱變化范圍都很大,要想準確跟蹤到太陽中心點必須能夠全方位地跟蹤到太陽。固定和擺放好電機后,最重要地是電機的平衡。由于一只電機頭上固定了另一只電機,它所承受的力也相當增大的電機頭的受力,形成了電機頭要滑行一段小距離的慣性,

18、造成了跟蹤系統對不準太陽出現嚴重誤差且容易損壞電機。因此必須在另一頭加上同等的重量,使其達到電機的平衡。固定安裝的太陽能電池板和采用了太陽能自動跟蹤裝置的太陽能電池板在相同條件下對太陽能的接受率,實踐結果表明,采用太陽光自動跟蹤裝置的太陽能電池板的受率提高了約40%。圖3-3所示為優化后雙軸跟蹤系統主傳動及電動推桿結構。其中，圖3-3（a） 14所示為雙軸主傳動原理，電動機帶動減速器，減速器帶動蝸桿，蝸桿帶動蝸輪實現光伏組件東西向水平旋轉，跟蹤太陽方位角 。圖3-3（b14所示為電動推桿傳動原理，電動機經過齒輪減速帶動絲桿旋轉，絲桿帶動絲母，絲母帶動頂桿實現往復直線運動，頂桿推拉光伏組件支架實

19、現光伏組件跟蹤太陽高度角。圖3-3雙軸跟蹤系統主傳動及電動推桿結構示意圖第四章 電子控制部分設計出電路圖,收集所需元器件,用萬能板焊接出來。進行硬件的調試。當上方光敏電阻有光源照射時經過LM339的第一個電壓比較器(4、5腳輸入,由2腳輸出得到一個低電平(可以通過調節R4可調電位器調節光源的靈敏度,然后經過89C51單片機P10 (1腳進行內部軟件處理,處理后由單片機39腳、38腳輸出高電平分別控制D7 (LED燈、D5全亮,一路經過三極管(Q4推動單聯繼電器(K4表示電機電源開啟,另一路經過三極管(Q3推動雙聯繼電器(K3表示電機正轉。當下方光敏電阻有光源照射時經過LM339的第一個電壓比較

20、器(6、7腳輸入,由1腳輸出得到一個低電平(可以通過調節R4可調電位器調節光源的靈敏度,然后經過89C51單片機P11 (2腳進行內部軟件處理,處理后由單片機39腳輸出高電平38腳輸出低電平分別控制D7(LED燈亮、D5不亮,一路經過三極管(Q4推動單聯繼電器(K4表示電機電源開啟,另一路經過三極管(Q3沒有推動雙聯繼電器(K3表示電機反轉。同理可得到左右、中后光敏電阻工作過程 15。4.1電路主要組成部分電路組成主要包括以下幾個部分 。1.檢測電路:主要用于光源的強弱,核心是光敏電阻。2.電源:主要用于各芯片及外圍元件的供電。3.比較電路:主要用于光源信號的電壓比較,核心是LM339。4.處

21、理電路:主要用于信號的處理和發出命令,核心是89C51。5.控制電路:主要用于控制電機的正、反轉,核心是繼電器 16,17。4.2軟件設計首先至單片機P00P03 (即36、37、38、39腳為低電平輸出到繼電器,然后先檢測上傳感器有無光信號輸入89C51 (1腳,如果有信號(即低電平輸入,電動機向上轉,再順序檢測中傳感器有無信號輸入89C51 (5腳,如果有信號(即低電平輸入,電動機停轉,繼續檢測下傳感器。如果中傳感器無信號(5腳輸入(即高電平,電動機繼續向上轉。前者上傳感器(1腳無信號(即高電平輸入,向下傳感器檢測信號。以此類推,下傳感器、左傳感器、右傳感器、最后檢測到后傳感器,電機返轉且

22、延時55秒后再返回檢測上傳感器,不斷循環 17。4.3單片機的程序執行過程開機時,程序計數器PC變成0000H。然后單片機在時序電路作用下自動進入執行過程。執行過程實際上就是單片機取指(取出存儲器中事先存放的指令階段和執指(分析執行指令階段這兩個階段的循環過程。1.程序計數器的內容(這時是0000H送到地址寄存器。2.程序計數器的內容自動加1 (變為0001H。3.地址寄存器中內容(0000H通過內容地址總線送到存儲器,經存儲器中地址譯碼器,使地址為0000H的單元被選中。4.CPU使讀控制線有效。5.被選中存儲器單元的內容(此時應為74H送到內部數據總線上,因為是取指階段,該內容通過數據總線

23、被送到指令寄存器。至此,取指階段完成,進入執指階段。當機器進入執指階段后,由于本次進入指令寄存器中的內容是74H (操作碼,經譯碼器譯碼后機器就會知道該指令是要將一個數送到A累加器,而該數是在這代碼的下一個存儲單元。所以執行該指令還必須把數(E0H從存儲器中取出送到CPU。即還要到存儲器中取第二個字節,其過程與取指階段很相似,至此,一條指令執行完畢。機器中PC=0002H(PC在CPU每次向存儲器取指或取數時都自動加1,機器又進入下一個取指階段。這一過程一直重復下去,直到收到循環等待指令才暫停。CPU就是這樣一條一條執行指令,完成程序所規定的功能 18,19,20,21。附錄一 光伏系統的方位

24、及電機轉動真值光伏系統的發電效率一直是制約光伏產業發展的重要因素之一，提高光伏系統發電效率主要有增加太陽電池的光電轉換效率、提高逆變器的變換效率與增大太陽輻射的利用率三種途徑。在現有技術條件下，要想進一步提高光伏電池的轉換效率，勢必增加光伏電池的成本；逆變器的轉換效率也已達到45%以上，很難再有大的提高；而跟蹤系統能夠保證太陽入射光線始終與光伏電池陣列保持最佳的角度，提高太陽光照輻射量，從而提高光電轉化效率。在該種日照條件下，機械系統轉動，真值如表附-2所示 21。附表-1中國主要的光伏太陽能電池的實驗室功率和尺寸附表-2電機運動真值表二 LM339電壓比較器的特點和一些參數LM339芯片內部

25、裝有四個獨立的電壓比較器，是很常見的集成電路。利用lm339可以方便的組成各種電壓比較器電路和振蕩器電路。1）電壓失調小，一般是2mV；2）共模范圍非常大，為0v到電源電壓減1.5v；3）他對比較信號源的內阻限制很寬；4）LM339 vcc電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為1V-18V；5）輸出端電位可靈活方便地選用。6）差動輸入電壓范圍很大，甚至能等于vcc；三 89c51單片機主要特性1）與MCS-51 兼容；2）4K字節可編程閃爍存儲器；3）壽命：1000寫/擦循環；4）數據保留時間：10年；5）全靜態工作：0Hz-24MHz；6）三級程序存儲器鎖定；7）128*8位內部RAM

26、；8）32可編程I/O線；9）兩個16位定時器/計數器；10）5個中斷源；11）可編程串行通道；12）低功耗的閑置和掉電模式；13）片內振蕩器和時鐘電路；參考文獻1 國家發改委能源研究所王長貴等.中國太陽光伏發電發展現狀與未來展望.2 陳維,李戩洪.太陽能利用中的跟蹤控制方式的研究J.新能源及工藝,2003,(3:18-21.3 王長貴,喜文華,張煥芬等.中國能源的開發和利用M.能源出版社,1986:1-4.5 王春雷.五點法自動跟蹤太陽裝置J.太陽能學報,2005,(5:30-31.6 趙建根,高永全.五象限法太陽自動跟蹤儀J.應用光學,2001,22(1:30-33.7 侯長來.一種太陽自

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