太阳光自动跟踪设计图文精.docx

太阳光自动跟踪设计图文精.docx

《太阳光自动跟踪设计图文精.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳光自动跟踪设计图文精.docx（14页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

太阳光自动跟踪设计图文精

摘要

通过分析全国日照时数表得出:

开环系统在太阳能光伏工程中效率不高而并不适合采用。

为合理地利用太阳能,提高其跟踪效率而采用混合控制系统。

文中着重分析了双轴跟踪的原理提出了手动式方位角跟踪和自动式八方位高度角跟踪,引出了分级接收跟踪原理,设计了软件流程并和一套任意方位跟踪系统。

运行结果表明,该系统能实现太阳光任意方位检测并迅速跟踪有效降低系统运行功耗,减少机械结构损耗,跟踪精度可调,可望在太阳能光伏工程中获得应用。

并促进太阳光的接收效率。

【关键词】太阳能跟踪系统；时空控制；光强控制；跟踪传感器

Abstract

Theopensystemisnotsuitableforadoptioninsolarphotovoltaicengineeringbecauseofitsinefficiencythroughanalyzingthenationalsunshinedurationtable.Usingthemixturecontrolsystemcanenhanceitstrackefficiencyandmakefulluseofsolarenergyreasonably.Thepaperanalyzedthetwoaxletrackprincipleemphatically,thenproposedthemanualazimuthtrackingandtheautomaticaltitudeangletrackingof8positions,educedhierarchicalreceivetrackprinciple,designedthesoftwareflowandasuitofarbitrarinessazimuthtracksystem.Runningresultsindicatedthatthesystemcanaccomplishsolararbitrarinessazimuthdetectionandtrackingrapidly,fallrunningpowerconsumeefficiently,reduceconsumeofmechanicalstructure,andhaveadjustabletrackingprecision.Itmayobtainapplicationsinsolarphotovoltaicengineering.

【Keywords】solarAutomatictrackingsystem；timeandspacecontro；llightintensitycontrol；solartrackingsensor

第一章引言1

1.1综述11.2太阳能自动跟踪系统现状1

1.2.1压差式太阳能跟踪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

1.2.2时钟式跟踪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1

1.2.3控放式太阳能跟踪器⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2

1.3我国光伏太阳能发电前景2

第二章自动跟踪器的结构与原理4

第三章机械控制部分7

3.1主要结构7

3.1.1探测

头⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯.7

3.1.2跟踪控制器（LM339及

89C51⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7

3.1.3机械传动机

构⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

3.2机械系统的组成8

3.3机械系统的安装8

3.3.1电机的固定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8

3.3.2电机的摆放⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9

3.3.3电机的平衡⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9

3.3.4双轴跟踪系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9第四章电子控制部分11

4.1电路主要组成部分11

4.2软件设计11

附录13

参考文献16

致谢18

第一章引言

1.1综述

随着现代工业的发展，全球能源危机和大气污染问题日益突出，太阳能这个清洁的可再生能源，已受到许多国家的高度重视和利用。

我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，且分布范

围较广，因此充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。

由太阳能电池板的特性可知，它的发电量与照射到它上面的光照强度成正比，而接受太阳的直射光，可以得到太阳的最大光照强度。

试验证明，采用相同功率的太阳电池板，自动跟

踪式光伏发电设备要比定式光伏发电设备提高发电量至少在25%以上，成本下降20％。

由于太阳的位置每时每刻都在变化，若想在太阳能电池板上得到最大输出功率，就必须要太阳能电池板随时跟随太阳的运动轨迹运动，才能保证太阳光始终垂直照射到太阳能电池板上。

为实现太阳光始终垂直照射到太阳能电池板上这一目的，就需要用太阳光自动跟踪控制系统。

发展该系统有助于太阳能的充分利用，符合我国构建和谐社会，发展集约型社会的根本要求。

1.2太阳能自动跟踪系统现状

目前，我国国内的跟踪器基本有两大类：

一类是纯机械式的跟踪器；一类是机电一体化的跟踪器。

1.2.1压差式太阳能跟踪器

压力差式跟踪器的原理是：

当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装跟踪器重新对准太阳。

根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式，和液压式。

该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。

但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低[1]。

1.2.2时钟式跟踪器

时钟式跟踪器是一种主动式的跟踪器，有单轴和双轴两种形式。

其控制方法是定时法：

根据太阳在天空中每分钟的运动角度，计算出太阳光接收器每分钟应转动的角度，从而确定出电动机的转速，使得太阳光接收器根据太阳的位置而相应变动。

其特点是电路简单，但由于时钟累积误差不断增加，系统的跟踪精度很低；同时需外接电源，日夜不停的运转，浪费能源[1]。

1.2.3控放式太阳能跟踪器

控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。

该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。

但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构；而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低[2]。

1.3我国光伏太阳能发电前景我国于1958年开始研制太阳能电池1959年第一块有实用价值的太阳电池诞生，1971年3月首次应用太阳电池作为科学实验卫星的电源，开始了太阳电池的空间应用。

1973年3月首次在灯浮标上进行应用太阳电池供电的试验，开始了太阳电池的地面应用[3]。

至今我国的光伏太阳能取得了巨大的发展。

原国家经贸委在《2000~2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点》中就实现“建立太阳电池与应用系统生产体系，降低产品成本”时提出，集中力量在现有太阳电池生产和应用的基础上，适应国际光电技术发展趋势和国内外市场发展形势，开拓市场，打破年产量徘徊在2MW左右的局面。

通过国家重点扶持、推动第二代太阳电池产业化，形成器件配套齐全的太阳能光伏产业。

2015年全国太阳电池发电系统市场拥有量将达到320MW。

通过生产规模的扩大，降低太阳电池生产成本，从而推动市场的发展，形成良性循环。

在太阳电池市场中通信及工业光伏系统将从目前的40%~50%。

到2015年中国将开始大规模发展并网式屋顶光伏系统[4]。

表1-1我国太阳能全年日照分布统计表

第二章自动跟踪器的结构与原理

根据太阳运行的规律，任意时刻太阳赤纬角和太阳时角都可以通过天文公式计算得到。

在天体几何学中，由太阳赤纬角和太阳时角及观察点的地理位置等参数，太阳在天空中的轨迹可以被精确地计算得到。

由计算得到的太阳位置，利用逻辑控制元件，控制步进电动机，使太阳光伏阵列准确地朝向太阳光入射的方向，这种太阳跟踪方法就称为太阳位置计算式跟踪[5]。

目前，太阳位置式跟踪方式常用的逻辑控制元件主要有单片机、数字信号处理器（DSP）、可编程序逻辑控制器（PLC）及PC机。

基于PC机的太阳位置式跟踪方法，其成本相对于其他几种实现方式较为昂贵，但是由于PC机具有强大的数据存储及计算能力，可以用来完成较为复杂的运算，所以在对计算精度要求较高的场合，一般采用它来进行控制，如天文台和气象台对太阳的观测。

另外在大规模的太阳光伏电站中，也可以使用PC机对太阳光

伏阵列实现集中控制，可以收到控制精度高、平均成本低的效果。

对于单台或少数的太阳跟踪系统，前几种控制器使用较多，相对而言，单片机系统具有较高的性价比，因此目前使用最为普遍[6,7,8]。

本文采用了基于太阳位置计算的主动式控制方案。

与一般的主动式控制方案不同，

为了提高跟踪系统的可靠性与精确度，并降低跟踪控制系统的控制复杂度，使用了

旋转编码器对太阳光伏阵列的位置进行反馈，对光伏阵列实行闭环控制；为了识别阴雨等天气，适应不同的天气状况，使用了光敏二极管检测外界太阳光照射强度，

并结合时间等参数，生成跟踪控制系统开关机信号。

本文所研究的太阳跟踪控制系

统工作原理如图2-1[6]所示

图2-1太阳光跟踪系统原理

首先，利用光敏传感器检测周围环境中太阳光的辐射强度，当其辐射强度能够使系统中所配备的光伏逆变器开机工作时，启动自动跟踪系统，对太阳进行自动跟踪。

然后，根据天文时间，光伏系统所在地经度、纬度等参数，利用天文公式，计算光伏发电系统安装地的太阳位置，并在地平坐标系中，以太阳高度角和太阳方位角表示出来。

通过位置传感器检测光伏阵列当前所处的位置，并与数字处理器计算出的太阳位置相比较，如图2-2[6]所示，角θ即为二者的差值，θ大于系统中所设定的阈值时，起动步进电动机系统，使电池板向太阳光入射方向旋转，直到太阳光能够直射照射光伏阵列表面。

图2-2跟踪系统示意图

除主控功能外，跟踪系统还设计了自我保护功能，当软件控制系统发生故障，步进

电动机系统失去控制时，起动后难以再通过软件使其停止，如果此种情况出现而且

得不到处理，光伏阵列的机械结构和太阳电池板将面临损坏的危险，为防止此种情况的出现，本系统配置了限位开关，如图2-2a.b所示（图中仅为向下的位置保护限位开关[9]，在太阳电池板转动越限后，光伏方阵安装框架将触发限位开关，限位开关控制的继电器将切断驱动系统电源，达到保护系统安全的目的[10]。

当出现大风天气时，控制器将使太阳光伏阵列复位，以减小其迎风面积，使其处于安全状态。

电网停电时，为防止停电期间出现大风天气，需立即将太阳光伏阵列复位，另外由于本系统为并网光伏发电系统，电网停电时，跟踪系统所配备的小并网逆变器无法并网发电，会自动停机，继续对太阳进行跟踪已毫无意义，所以将太阳光伏阵列复位[11,12]。

第三章机械控制部分

3.1主要结构

3.1.1探测头

探测头是太阳跟踪系统的光信号接收器,灵敏度的高低直接影响跟踪精度。

经过大量实验研究,选用质量轻、美观、耐腐蚀的铝合金材料扰电接收管经过严格的计算、定位、以保证其检测灵敏度。

3.1.2跟踪控制器（LM339及89C51

跟踪控制器是跟踪系统的核心,因而也就是专题攻关的工作重点,经过研究和优化设计,应用集成LM339芯片,采用模拟差压比较原理以及89C51单片机研制的控制器具有跟踪精度高、范围宽、自动返回及自动定位功能,限位装置具有东、西、上、下、中、后五个方位的极限限位功能。

采用双重限位控制结构,即控制信号限位和驱动电机限位,保证设备可靠工作。

图3-1LM339集成电路

图3-289C51中心控制电路示意图

3.1.3机械传动机构

机械传动机构是跟踪的执行机构,它不但承受装置的重量、风力,还在室外工作,而且直接影响整机精度。

经过研究,水平传动和仰角传动采用TG-24ZYJ1-3W[12],低噪音,永磁直流谐波减速电机,以保证机械精度和传动效率。

3.2机械系统的组成

机械转动部分由两个电机、两根筒柱（一根支撑筒柱和一根跟踪筒柱、一个有机玻璃盒子、两个电机钻头夹、三个锁定夹。

太阳运动的时角自东向西匀速变化,好比24h一周的时钟,而太阳的赤纬角变化非常缓慢,全年仅变化正负23度17分,基

于上述特点,故采用永磁直流谐波减速电机[13]。

电机是机械系统的核心部件,它有以下特点:

①积累误差小。

永磁直流谐波减速电机每转动一次是1分钟13转是一定的,因此跟踪的快慢可以取决于输入电压的高与低,使得转速跟踪太阳更精确。

②干扰能力强:

永磁直流谐波减速电机不仅不干扰单片机的正常

运行,它还具有抗风、自锁特性,因此这种电机的跟踪装置不受

气候的影响,可24小时全天候跟踪。

③耗电率小、电机噪音

低、造价低廉等特点。

3.3机械系统的安装

3.3.1电机的固定

铝筒管的钢度比较小,所以安装电机比较方便,但在外力作用下很容易变形,为了克服这个缺点使电机的固定整齐美观,应用两个锁定夹锁定成型后,再把另一端固定在有机玻璃盒子上且用三角形状的有机玻璃固定。

3.3.2电机的摆放

由于一年四季、早晚和中午环阳光的强弱变化范围都很大,要

想准确跟踪到太阳中心点必须能够全方位地跟踪到太阳。

3.3.3电机的平衡固定和摆放好电机后,最重要地是电机的平衡。

由于一只电机头上固定了另一只电机,它所承受的力也相当增大的电机头的受力,形成了电机头要滑行一段小距离的惯性,造成了跟踪系统对不准太阳出现严重误差且容易损坏电机。

因此必须在另一头加上同等的重量,使其达到电机的平衡。

固定安装的太阳能电池板和采用了太阳能自动跟踪装置的太阳能电池板在相同条件下对太阳能的接受率,实践结果表明,采用太阳光自动跟踪装置的太阳能电池板的受率提高了约40%。

3.3.4双轴跟踪系统

图3-3所示为优化后双轴跟踪系统主传动及电动推杆结构。

其中，图3-3（a）[14]所示为双轴主传动原理，电动机带动减速器，减速器带动蜗杆，蜗杆带动蜗轮实现光伏组件东西向水平旋转，跟踪太阳方位角。

图3-3（b[14]所示为电动推杆传动原理，电动机经过齿轮减速带动丝杆旋转，丝杆带动丝母，丝母带动顶杆实现往复直线运动，顶杆推拉光伏组件支架实现光伏组件跟踪太阳高度角。

示意图

图3-3双轴跟踪系统主传动及电动推杆结构

第四章电子控制部分

设计出电路图,收集所需元器件,用万能板焊接出来。

进行硬件的调试。

当上方光敏电阻有光源照射时经过LM339的第一个电压比较器（4、5脚输入,由2脚输出得到一个低电平（可以通过调节R4可调电位器调节光源的灵敏度,然后经过89C51单片机P1·0（1脚进行内部软件处理,处理后由单片机39脚、38脚输出高电平分别控制D7（LED灯、D5全亮,一路经过三极管（Q4推动单联继电器（K4表示电机电源开启,另一路经过三极管（Q3推动双联继电器（K3表示电机正转。

当下方光敏电阻有光源照射时经过LM339的第一个电压比较器（6、7脚输入,由1脚输出得到一个低电平（可以通过调节R4可调电位器调节光源的灵敏度,然后经过89C51单片机P1·1（2脚进行内部软件处理,处理后由单片机39脚输出高电平38脚输出低电平分别控制D7（LED灯亮、D5不亮,一路经过三极管（Q4推动单联继电器（K4表示电机电源开启,另一路经过三极管（Q3没有推动双联继电器（K3表示电机反转。

同理可得到左右、中后光敏电阻工作过程[15]。

4.1电路主要组成部分

电路组成主要包括以下几个部分。

1.检测电路:

主要用于光源的强弱,核心是光敏电阻。

2.电源:

主要用于各芯片及外围元件的供电。

3.比较电路:

主要用于光源信号的电压比较,核心是LM339。

4.处理电路:

主要用于信号的处理和发出命令,核心是89C51。

5.控制电路:

主要用于控制电机的正、反转,核心是继电器[16,17]。

4.2软件设计

首先至单片机P0·0~P0·3（即36、37、38、39脚为低电平输出到继电器,然后先检测上传感器有无光信号输入89C51（1脚,如果有信号（即低电平输入,电动机向上转,再顺序检测中传感器有无信号输入89C51（5脚,如果有信号（即低电平输入,电动机停转,继续检测下传感器。

如果中传感器无信号（5脚输入（即高电平,电动机继续向上转。

前者上传感器（1脚无信号（即高电平输入,向下传感器检测信号。

以此类推,下传感器、左传感器、右传感器、最后检测到后传感器,电机返转且延时5·5秒后再返回检测上传感器,不断循环[17]。

4.3单片机的程序执行过程

开机时,程序计数器PC变成0000H。

然后单片机在时序电路作用下自动进入执行过程。

执行过程实际上就是单片机取指（取出存储器中事先存放的指令阶段和执指（分析执行指令阶段这两个阶段的循环过程。

1.程序计数器的内容（这时是0000H送到地址寄存器。

2.程序计数器的内容自动加1（变为0001H。

3.地址寄存器中内容（0000H通过内容地址总线送到存储器,经存储器

中地址译码器,使地址为0000H的单元被选中。

4.CPU使读控制线有效。

5.被选中存储器单元的内容（此时应为74H送到内部数据总线上,因为是取指阶段,该内容通过数据总线被送到指令寄存器。

至此,取指阶段完成,进入执指阶段。

当机器进入执指阶段后,由于本次进入指令寄存器中的内容是74H（操作码,经译码器译码后机器就会知道该指令是要将一个数送到A累加器,而该数是在这代码的下一个存储单元。

所以执行该指令还必须把数（E0H从存储器中取出送到CPU。

即还要到存储器中取第二个字节,其过程与取指阶段很相似,至此,一条指令执行完毕。

机器中PC=0002H（PC在CPU每次向存储器取指或取数时都自动加1,机器又进入下一个取指阶段。

这一过程一直重复下去,直到收到循环等待指令才暂停。

CPU就是这样一条一条执行指令,完成程序所规定的功能[18,19,20,21]。

附录

光伏系统的方位及电机转动真值

光伏系统的发电效率一直是制约光伏产业发展的重要因素之一，提高光伏系统发电效率主要有增加太阳电池的光电转换效率、提高逆变器的变换效率与增大太阳辐射的利用率三种途径。

在现有技术条件下，要想进一步提高光伏电池的转换效率，势必增加光伏电池的成本；逆变器的转换效率也已达到45%以上，很难再有大的提高；而跟踪系统能够保证太阳入射光线始终与光伏电池阵列保持最佳的角度，提高太阳光照辐射量，从而提高光电转化效率。

在该种日照条件下，机械系统转动，真值如表附-2所示[21]。

附表-1中国主要的光伏太阳能电池的实验室功率和尺寸

附表-2电机运动真值表

二LM339电压比较器的特点和一些参数

lm339可

LM339芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见的集成电路。

利用以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。

1）电压失调小，一般是2mV；

2）共模范围非常大，为0v到电源电压减1.5v；

3）他对比较信号源的内阻限制很宽；

4）LM339vcc电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；

5）输出端电位可灵活方便地选用

6）差动输入电压范围很大，甚至能等于vcc；

三89c51单片机主要特性

1）与MCS-51兼容；

2）4K字节可编程闪烁存储器；

3）寿命：

1000写/擦循环；

4）数据保留时间：

10年；

5）全静态工作：

0Hz-24MHz；

6）三级程序存储器锁定；

7）128*8位内部RAM；

8）32可编程I/O线；

9）两个16位定时器/计数器；

10）5个中断源；

11）可编程串行通道；

12）低功耗的闲置和掉电模式；13）片内振荡器和时钟电路；

参考文献

[1]国家发改委能源研究所王长贵等.中国太阳光伏发电发展现状与未来展望.

[2]陈维,李戬洪.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].新能源及工艺,2003,（3:

18-21.

[3]王长贵,喜文华,张焕芬等.中国能源的开发和利用[M].能源出版社,1986:

1-4.

[4]SoterisA.Kalogirou.DesignandconstructionofoneaxissuntrackingSystem[J]SolarEnergy,1996,57（6:

465-469.

[5]王春雷.五点法自动跟踪太阳装置[J].太阳能学报,2005,（5:

30-31.

[6]赵建根,高永全.五象限法太阳自动跟踪仪[J].应用光学,2001,22（1:

30-33.

[7]侯长来.一种太阳自动跟踪装置的设计[J].现代机械,2005,（1:

66-68.

[8]李建英,吕文华,贺晓雷,于贺军.一种智能型全自动太阳跟踪装置的机械设计[J].太阳能学报,2003,24（3:

1-3.

[9]中国科学院电工研究所李建林/周世勃.一种新型的太阳光伏发电跟踪系统设计.

[10]魏明.同步跟踪技术用于光伏发电站的经济效益分析[J].上海电力,2008（02.

[11