1、    新型低能耗太陽能方位檢測與跟蹤技術日期: 2010-3-31 10:06:29瀏覽: 117來源: 學海網(wǎng)收集整理作者: 未知摘要：在太陽能光伏發(fā)電技術上采用跟蹤技術可以提高太陽輻射能量的采集率，從而有效降低整個發(fā)電系統(tǒng)的成本。但是在跟蹤控制技術上，開環(huán)和閉環(huán)一直是人們爭論的問題。我通過分析全國日照時數(shù)表得出開環(huán)系統(tǒng)在太陽能光伏發(fā)電應用中效率不高而并不適合被采用。為提高跟蹤效率，我采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，設計一套新穎低能耗的太陽能任意方位檢測方案并提出分級跟蹤原理。根據(jù)這個原理設計出一套自動跟蹤系統(tǒng)，運行結果表明該系統(tǒng)能實現(xiàn)太陽任意方位檢測并迅速跟蹤，

2、有效降低系統(tǒng)運行功耗，減少機械結構損耗，精度可調，對進一步有效利用太陽能光伏發(fā)電和新型設備的研制有一定的探討意義。關鍵詞：光伏發(fā)電 閉環(huán)控制 任意方位檢測 分級跟蹤引言：在太陽能光伏發(fā)電技術上采用跟蹤技術可以提高太陽輻射能量的采集率，從而有效降低整個發(fā)電系統(tǒng)的成本。在控制方案上主要有開環(huán)，閉環(huán)和混合控制，目前各種方案國內外都有相應的應用系統(tǒng)設計支持并且都較成熟。其中固然開環(huán)系統(tǒng)有結構簡單、易于實現(xiàn)、不受天氣影響等優(yōu)點，但是我們從全國日照分布時數(shù)表上可以看出，全國平均日照時數(shù)并不是很高，可跟蹤利用效率總體偏低，那么用開環(huán)系統(tǒng)將做大量有消耗的無用跟蹤。這既增大了系統(tǒng)運行功耗又加大了機械損耗。在檢測

3、方案上，目前大多數(shù)方案的檢測視角太小，難以適應太陽出現(xiàn)的隨機性。太陽光強在一天中變化較大，光強較強時跟蹤精度需要高點；光強較弱但還能發(fā)電時跟蹤精度高又沒太大意義；采用統(tǒng)一的跟蹤精度并不合適。進一步有效利用太陽能，減小系統(tǒng)功耗，增強裝置的可靠性、耐用性，降低成本仍是今后研究的關鍵。1控制系統(tǒng)選擇在太陽能利用中常見的跟蹤裝置的控制系統(tǒng),按照控制系統(tǒng)對控制量(電機轉速,轉角等)進行控制時,被控制量(跟蹤裝置的位置,轉角)對控制量產不產生影響,即是否存在著反饋，可以把控制系統(tǒng)劃分為三類：閉環(huán)、開環(huán)、混合控制方式,若存在反饋的稱為閉環(huán)控制,若不存在反饋的稱為開環(huán)控制,混合控制顧名思義就是開環(huán)和閉環(huán)控制方

4、式的結合。1.1開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)控制就是確定一個初始位置,根據(jù)某時刻太陽相對位置的差值,計算出電機轉過該差值所需的脈沖數(shù)。又分為時鐘跟蹤和程序跟蹤方式。這種方法雖然控制簡單，易于實現(xiàn)，但存在當電機失步和堵轉時，跟蹤就不準確。并且當連續(xù)陰雨天時，不僅不能發(fā)電，同時系統(tǒng)連續(xù)運行還會消耗大量的功率。下表是我國太陽能分布情況。全年日照時數(shù):365*12h(白天)=4380h.日照時數(shù)每平方米一年接受太陽能總輻射量相當于標準煤可利用效率X/4380*100%一類地區(qū)28003300h(670837) kJ225285kg63.975.3%二類地區(qū)30003200h(586670) kJ200225kg68.

5、573.1%三類地區(qū)22003000h(502586) kJ170200kg50.268.5%四類地區(qū)14002200h(419502) kJ140170kg32.050.2%五類地區(qū)10001400h(335419) kJ115140kg22.832.0%由以上我國全年日照時數(shù)表可以看出，在全國范圍內，日照時數(shù)分布在1000 3300h，在滿負荷利用下其綜合跟蹤利用效率(日照時數(shù)/全年日照時數(shù))為22.8%75.3%。對于大部分地區(qū)而言，跟蹤效率在60%上下。如果采用開環(huán)跟蹤系統(tǒng)，那么在將近40%左右的時間里(比如陰雨天或者多云等不能發(fā)電的天氣)電機是在做有消耗的無用功，而且還有機械磨損等。

6、短期這點損失不大，但是常年這樣其累積損失我們就不得不考慮了。開環(huán)控制原理圖如下：1.2閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)控制方式就是使用一個傳感器來測定入射太陽光線和系統(tǒng)光軸間的偏差，當偏差超過一個閥值時，通過電機驅動機械部分轉動，減小偏差直到使太陽光線與系統(tǒng)光軸重新平行，實現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。其控制原理如下圖所示。常用的傳感器有光電池、光敏電阻、光電管等。閉環(huán)控制能夠克服開環(huán)的缺陷，但需要位置檢測信號。在本系統(tǒng)設計中，考慮到微型光電池跟光敏電阻、光電管相比, 靈敏度高，線性度好，不易飽和，溫度對其輸出影響要小，所以采用光電池作為方位和光強檢測元件。采用閉環(huán)系統(tǒng)后，在陰雨天和多云等不滿足發(fā)電的天氣里，由于

7、光強達不到檢測元件設定好的閥值，從而檢測元件沒有信號，處理器就不會驅動電機轉動。在檢測到光強滿足要求后，再由一系列微型光電池的特殊結構來跟蹤太陽，從而實現(xiàn)方位的跟蹤。2：設計原理2.1任意方位檢測由于微型光電池的短路電流在很大范圍內與光照度成線性關系，因此檢測連續(xù)變化的光照度時，應當盡量減小負載電阻，使光電池在接近短路的狀態(tài)工作，也就是把光電池作為電流源來使用。在光信號斷續(xù)變化的場合，也可以把光電池作為電壓源使用。其優(yōu)點為調節(jié)較為精確,電路也比較簡單。結構上，采用N路微型光電池均勻分布在一個半圓弧上，當太陽正對某一個微型光電池時，此時它的輸出最大,系統(tǒng)就能判斷此時太陽的位置而進行跟蹤。當太陽轉

8、到兩個微型光電池中間時，此時由于這兩路光電池輸出相等，也能判斷太陽的方位而進行跟蹤。由于每2個微型光電池之間就有一個中間位置,所以共有N-1個這樣的位置,這樣N路微型光電池共能判別2N-1個太陽方位.假設我們需要的跟蹤范圍是150度,那么可識別的精度則為150/(2N-1)度, 我們可以通過選擇N的值來方便調整需要的精度。這樣太陽任何時間出現(xiàn)在圓弧的任意位置上，只要在可檢測的那2N-1個方位上，電池板便可以迅速跟蹤。 處理器檢測到跟蹤信號后驅動電機正反轉,無需在每晚回到初始位置等候太陽，避免每天開始陰天時系統(tǒng)多做無用的跟蹤，而是隨時根據(jù)那N路微型光電池檢測太陽的方位，從而將系統(tǒng)運行功耗降到最低

9、。2.2分級跟蹤考慮到開環(huán)跟蹤系統(tǒng)在多云和陰雨天還進行跟蹤會加大系統(tǒng)運行功耗，綜合跟蹤利用效率不高，故我們采用閉環(huán)控制，同時采用分級跟蹤。當光照強度達到上限值時，實行密跟蹤。當光照強度達到下限值時，停止跟蹤。而在中間狀態(tài)時實行疏跟蹤。這樣不僅充分利用太陽光光照強度大時的獲得更多的能源。在光照強度一般但還可以發(fā)電時，放慢跟蹤幅度，這樣可以有效降低系統(tǒng)運行功耗而對輸出功率沒太大影響。當光照強度達到下限值時，停止跟蹤，這樣就避免無效的跟蹤從而降低系統(tǒng)運行功耗，而當光照強度滿足要求時再迅速檢測方位并跟蹤。2.3.電路原理與電路實現(xiàn)控制系統(tǒng)框架圖如下圖所示。該系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407型DSP作為核心處理器，實現(xiàn)對太陽的自動跟蹤、系統(tǒng)保護、顯示、信號檢測與監(jiān)控等功能。啟動信號由5路微型光電池組成。考慮到系統(tǒng)對他們差值敏感，所以我采用一個5通道的模擬開關在DSP的控制下分別傳送這5路信號，都分時通過一路放大和調理電路，原因是考慮到做5路放大與調理電路難以保證一致性，比如放大倍數(shù)，(在本設計中，5路光電池信號大小相差很大)溫漂