聚光型光伏發(fā)電的太陽能定位和跟蹤系統(tǒng)*

鄧 滔，王倩怡，付 有，馬 龍，魏宏魁

（太原科技大學(xué)，山西太原 030024）

1 設(shè)計思路

目前我國的太陽能利用率處于較低水平，主要原因是太陽能密度低，照射到地面上的平均光強只有1 kW/m2，并且隨著季節(jié)和天氣因素的變化，更增強了太陽能利用的難度;我國現(xiàn)有的太陽能電池板的發(fā)展水平也限制了太陽能的利用率，目前，單晶體硅的太陽能轉(zhuǎn)化率可以達到23%，多晶體硅可以達到16%，而薄膜的只能達到8%。這具有挑戰(zhàn)性的難題是這次太陽能定位和跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點。

為了克服太陽能量密度低的劣勢，我們采用了帶有定位與跟蹤功能的太陽能電池板支架，利用電機傳動帶動電池板的兩個自由度的旋轉(zhuǎn)，盡量使每個時刻電池板都能垂直接收太陽能。跟蹤功能的實現(xiàn)根本是定位，我們使用分辨率為640×320的CCD圖像采集傳感器，以至少0.2 s/幅的速度來拍攝參考物的太陽影子長度并與參考物的垂直投影作比較，精確地測量出當(dāng)前太陽的偏轉(zhuǎn)角度;通過高速的控制芯片，將得到的角度進行采集與處理，得到相應(yīng)的控制角度與位移量。這樣，定位的目的實現(xiàn)了，跟蹤的效率自然就會大大提高。使用精度為1/10 000度的伺服電機與高精度渦輪蝸桿傳動機構(gòu)，使太陽能支架能自如的旋轉(zhuǎn)，以最高的效率接受太陽能。

2 支架設(shè)計部分

在設(shè)計太陽能電池板支架的過程中，不僅要考慮到材料自身重量和慣性的因素，還要考慮到投入應(yīng)用后，實際的自然條件的因素。大風(fēng)是不可忽略的一個重要自然現(xiàn)象，在世界各個國家各個城市，全年都會刮起不同風(fēng)速等級的大風(fēng)。這就要求支架足夠堅固，固定太陽能電池板的軸承足夠穩(wěn)定，足以承受大風(fēng)所帶來的力的作用。

圖1 太陽能電池板支架

為此，設(shè)計中把支架和電池板的連接處設(shè)計成如圖1所示。即在電池板的距離較長的對應(yīng)兩側(cè)中央安裝軸承，帶動電池板做上下方向的旋轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計使“點接觸”擴大到“線接觸”。又由于太陽能電池板的重量平均分布在中軸的兩側(cè)，因此大風(fēng)對電機的影響會降到最低，在旋轉(zhuǎn)過程中，風(fēng)也會由于平均作用在了電池板的兩側(cè)而減少電池板的形變。

太陽能電池板左右方向的旋轉(zhuǎn)由下面箱體中的伺服電機控制，如圖2所示。角鋼支架與電動機的連接也采用鋼管與軸承的連接方式。鋼管橫截面與角鋼支架水平焊接，鋼管的直徑與壁厚根據(jù)電池板，支架，電機，軸承的總重量而定，以穩(wěn)定性好為原則。

圖2 太陽能電池板整體支架

控制左右方向旋轉(zhuǎn)與上下方向旋轉(zhuǎn)的伺服電機都密封在箱體里，主要考慮到雨雪天氣里金屬的傳動機構(gòu)不會有損害。

3 供電系統(tǒng)部分

太陽能光伏供電系統(tǒng)的基本工作原理是，在太陽光的照射下，將太陽能電池組件產(chǎn)生的電能通過控制器的控制給蓄電池充電或者在滿足負載需求的情況下直接給負載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負載供電，對于含有交流負載的光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。光伏系統(tǒng)的應(yīng)用具有多種形式，但是其基本原理大同小異。

將太陽能電池與用電器連接，需要考慮的主要問題是:

（1）電壓是否相同;

（2）功率是否匹配;

（3）電池的持續(xù)供電能力。

解決以上問題，有不同方案可以選擇。比如太陽能電池電壓問題，可以采用串聯(lián)電池或者采用逆變電路、穩(wěn)壓電路來解決，功率問題可以采取選擇適合電池板、并聯(lián)電池等技術(shù)解決，太陽能電池不足之處在于由于太陽光照的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致工作可靠性較差，想要實現(xiàn)持續(xù)不間斷輸出，一般需要加裝蓄電池，并需要與之相配套的充電電路和逆變輸出電路。

太陽能供電系統(tǒng)由太陽能電池組件、太陽能控制器、蓄電池（組）組成。如輸出電源為交流220 V或110 V，按實際需要還可以配置逆變器。各部分的作用為:

（1）太陽能電池組件:太陽能電池組件是太陽能供電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽能供電系統(tǒng)中價值最高的部分。其作用是將太陽的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲起來，或推動負載工作。太陽能電池組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。

（2）太陽能控制器:太陽能控制器的作用是控制整個系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到過充電保護、過放電保護的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開關(guān)、時控開關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項。

（3）蓄電池:一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時將太陽能電池組件所供出的電能儲存起來，到需要的時候再釋放出來。

圖3 太陽能供電示意圖

在太陽能供電系統(tǒng)的安裝過程中，有如下幾個步驟:

（1）安裝選址 這是安裝太陽能電池板的重要步驟。在本項目中，擬給12號教學(xué)樓整體供電，故安裝的最好選址是在教學(xué)樓樓頂，這樣既有利于收集陽光能量，又不會給樓中的空間增加壓力。

（2）計算每日耗電量 這個數(shù)據(jù)必須準確，以確保設(shè)計的太陽能發(fā)電量足夠用于整個教學(xué)樓的發(fā)電，并且有一定的余量，以便在陰雨天氣時能夠利用儲存在蓄電池里的多余電能。

（3）太陽能板的計算與安裝 這一步驟涉及到的不僅是電力電子方面的計算，并且包括物理方面的計算，比如每一個太陽能板的尺寸，放置位置，太陽能板陣列的擺放面積，每一個太陽能電池板之間的尺寸等等，以及這些數(shù)據(jù)與能接收到太陽能量之間的關(guān)系。

（4）控制器的安裝 目前，室內(nèi)系統(tǒng)大部分使用12 V、24 V和48 V的直流太陽能系統(tǒng)。教學(xué)樓的用電量較大，太陽能板的總電流計算公式為:

太陽能板的總電流=每塊太陽能板的功率/W×太陽能板片數(shù)控制器額定電壓/V.

如果系統(tǒng)超過1 000 W，盡量采用雙控制器，以便于檢測發(fā)電狀況和使用維護。因為太陽能板在發(fā)電的時候并不是始終處于最大電流和電壓，所以在選控制器時可以按照40%～50%的電流來選擇，就可以滿足需求。

（5）蓄電池的安裝 電池連接原則:與系統(tǒng)電壓保持一致。

（6）逆變器的安裝逆變器是連接負載和電池的最后一個關(guān)鍵組件，也是最容易的。只需將逆變器的正負極連接到電池的正負極就可以。但逆變器的選擇十分重要，分為方波和正弦波逆變器，雖然效果相同，但兩者的價格卻相差兩倍以上。故此處使用正弦波逆變器，除了價格便宜外，正弦波逆變器不僅可以加載所有負載，而且不會對任何電器的使用壽命造成影響。但要確保使用電器功率的總和不能超過逆變器的容量。

4 總結(jié)

在本次聚光型光伏太陽能的定位與跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的過程中，遇到了許多大大小小的問題。比如傳動系統(tǒng)的組裝，既要為機械部分的維護與修理留出空間，又要將其設(shè)計的盡量小巧輕便，以便于搬運與維修;控制部分的程序調(diào)試;供電系統(tǒng)的實際安裝等。

在設(shè)計與實現(xiàn)的過程中，我們充分體會到了設(shè)計的樂趣與解決問題后帶來的巨大成就感。這次項目給我們的知識應(yīng)用帶了很大的提高，同時也教會了我們?nèi)绾闻c隊員合作最終完成任務(wù)。這些不僅在校園里，在將來工作的單位和企業(yè)中也是十分有用的經(jīng)驗。