太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计_毕业设计论文任务书(编辑修改稿)

太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计_毕业设计论文任务书(编辑修改稿)内容摘要：

美国能源部制定了从 2020年 1月 1日开始的 5年国家光伏计划和 2020～ 2030年的长期规划 ,以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。 按照预计的发展速度 ,2020 年美国光伏销售达到。 发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的 10%左右。 预测未来 10年仍将保持 10%或稍高的发展水平 ,达到(约 %)。 其中印度近几年发展迅速 ,居发展中国家领先地位 ,目前光伏系统的年生产量约10MW,累计安装量 40～ 50MW。 因此 ,到 2020年世界光伏系统累计安装容量将达到 14～ 15GW。 太阳能光伏发电是太阳能利用的重要方式 , 随着国家西部开发政策的推行及光明工程的实施 , 太阳能光伏发电技术取得了较快发展。 目前我国已建成的较大的光伏电站有西藏双湖 25千瓦光伏电太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 4 站，西藏安多 100千瓦光伏电站以及目前中国最大的新疆北塔山牧场 150千瓦太阳能光伏电站等。 这些电站都建在光照充足，地理位置偏僻，电网不能到达的地区。 近来一些几瓦到几百 瓦的中小型光伏发电应用系统也出现在生活中，如太阳能交通警示灯，高速公路上的太阳能广告牌，太阳能路灯等。 2020年我国系统累计装机容量为 70MW，《中华人民共和国可再生能源法》，承诺 2020年太阳能光伏累计装机容量 450MW。 从国家发改委制定的中长期规划看 ,20202020年每年的平均装机容量约60MW。 虽然我国太阳能发电水平有了相当程度的提高，但是离大规模的应用推广还有很大的距离，光伏产业还处于成长期。 随着技术的进步，光伏系统的成本会越来越低，性能会越来越好，应用的领域会越来越宽广。 （ 四 ） 几种主要的太 阳能发电装置 塔式太阳能热发电系统的工作过程是：太阳辐射热被定日镜反射集中后，被塔顶的接收器吸收，接收器上的聚光倍率可超过 1000倍。 在这里把吸收的太阳七能转换成热能，然后由传热介质经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机发电，最后以电能的形式输出，从而将太阳能转换为电能。 其概念设计原理系统如图 ，整个系统由 4部分组成 :聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统。 图 塔式太阳能热发电系统 塔式太阳能发电站的聚光子系统是大量按一定排列方式布置的平面反 射镜阵列群 .它们按四个象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一个巨大的镜场。 由于接收器的安装是固定不变的，为了使一天中所有时刻的太阳辐射都能通过反射镜面反射到固定不动的接收器上，反射镜必须设置跟踪装置，跟踪过程当中要确保定日镜的反射光线方向保持不变。 由几何光学基本知识可知，要使反射光线方向保持不变，当入射光线偏转  角度时，平面镜需要偏转  /2角度。 对于定日镜来说，如果入射光线在太阳方位角和高度角方向分别偏转  角度时，定日镜也需要各自在方位角和高度角方向偏转  /2角度。 太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 5 在塔式系统中，各个定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离，因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的两维控制，且各个定日镜的控制各不相同。 所以，在太阳能热发电站中，塔式电站的控制系统最为复杂。 美国太阳 Ⅱ 号电站是世界上较为典型的塔式太阳能热发电站，是在总结太阳 I号电站试运行的基础上，为推进塔式太阳能热发电站商用化进程而建设的先导性工程。 定日镜采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结 合的方式进行跟踪，当定日镜和接收器表面最大距离为 300m时，其跟踪误差为 91m，跟踪角度精度达到 19176。 聚光光伏发电系统由聚光电池阵列、架体、方位和仰角驱动器、跟踪器、控制器组成。 如图 所示。 聚光电池阵列由若干聚光电池串并联构成，若干阵列的串并联还可构成不同规模的聚光光伏发电系统。 图 聚光光伏发电系统的组成 聚光太阳电池是降低太阳电池利用总成本的一种措施。 它通过聚光器而使较大面积的太阳光会聚在一个较小的范围内，形成“焦斑 ” 或“ 焦带”，并将太阳电池置于 这种 “ 焦斑 ” 或 “ 焦带 ” 上，以增加光强，克服太阳辐射能流密度低的缺陷，从而获得更多的电能输出。 聚光太阳电池分两类，一般低倍率的聚光，采用晶体硅太阳电池，适当考虑散热条件即可。 如果聚光倍率增加到几十倍以上，聚光太阳电池的光电转换效率，一般应大于 20%,且需耐高倍率的太阳辐射，特别是在较高温度下的光电转换性能要得到保证，故在半导体材料选择、电池结构和栅线设计等方面都要进行一些特殊考虑。 这时普通晶体硅太阳电池已无法承受，必须选用专门的材料和电池结构制造聚光太阳电池。 太阳聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅尔透镜，它是 利用光在不同介质的界面发生拆射的原理制成的，具有与一般球面透镜相同的作用。 特点是直径很大的菲涅尔透镜可以做的很薄，与球面透镜相比可大大减轻透镜的重量。 菲涅尔透镜也是聚光电池模块的主要部件，具有体积小、重量轻、加工方便、透光率高等特点。 菲涅尔透镜一方面对太阳光进行聚焦，另一方面对电池组件也起保护作用。 它是电池模块外罩的一部分，电池组件的散热器位于电池外罩的阴影里 (正常跟踪状态 )，不被太阳光直射，因而便于散热，使电池的温度低，效率较高。 太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 6 图 聚光太阳电池组件模块的结构 太阳能自动跟踪聚焦光伏发电系统是 采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高 (400倍以上 )，可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。 跟踪过程当中就是要确保太阳光线与透镜的中轴线平行。 但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏电池上的光斑能量很强，因此聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为 400时跟踪精度要求小于 176。 在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。 碟式系统也称盘式系统。 主要特征是采用盘 状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。 碟式太阳能发电系统大体上由 3部分组成 :旋转抛物面反射镜、接收器和跟踪装置。 碟式太阳能发电系统工作原理比较简单，利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚焦在一点上，即为点聚焦，其聚光比可以高达数百到数千倍。 在焦点处放置阳光接收器，加热工质，驱动动力发电装置发电。 或在焦点处直接放置发动机组发电，如斯特林发动机组构成的碟式太阳能斯特林发电装置，技术上更为先进。 这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为 1025kW，聚光镜直径约1015m。 也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。 旋转抛物面反射镜一般有几十块镜面组构而成，用刚结构环作支撑体，整个盘镜通过太阳高度角和方位角齿轮传动机构安装在钢结构机架上，通过双轴跟踪装置控制即时跟踪太阳。 由于接收器安装在碟式反射镜的焦点上，那么只要碟式反射镜的中轴线跟太阳光线平行，便能保证碟式太阳能发电系统的太阳能转换效率为最大。 图。 图 蝶式太阳能系统发电装置 目前碟式发电系统的跟踪方式和塔式电站中定日镜的跟踪方式完全相同，多 采用视日运动轨迹跟踪和传感器跟踪相结合的跟踪方式。 但是这种跟踪方式算法复杂，成本高，对于小型碟式发电系统来说，可以考虑使用高精度传感器跟踪装置来降低成本。 太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 7 （ 五 ） 太阳能跟踪技术现状 现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。 (1)单轴跟踪一般采用 ： 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。 这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。 图 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪） 图 3种跟踪方式的原理，跟踪系统的转轴 (或 焦线 )东西向布置，根据事先计算的太阳方位的变化 ， 太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。 采用这种跟踪方式，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，此时太阳能接收率最大。 而在早上或下午太阳光线都是斜射。 单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行，接收太阳能的效果并不理想。 (2)双轴跟踪又可以分为两种方式 :极轴式全跟踪和高度一方位角式全跟踪。 极轴式全跟踪原理如图 ，太阳能设备的能量转换部分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。 工作时太阳能设备的能量转换部分所在平面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同方向相反用以跟踪太阳方位角 :反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动是为了适应太阳高度角的变化，通常根据季节的变化定期调整。 这种跟踪方式并不复杂，但在结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，极轴支承装置的设计比较困难。 图 极轴式跟踪 高度 角 方位角式太阳跟踪方法又称为地平坐标系双轴跟踪，其原理如图。 太阳能设备的能量转换部分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 太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角，绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 8 备的能量转换部分的倾斜角，从而使能量转换部分所在平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，而且太阳能设备的能量转换部分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。 图 高度 方位角式全跟踪 目前 ， 国外对于太阳光线自动跟踪装置 (或称为太阳跟踪器 )的研究有，美国 Blackace，在 1997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，接收器对 太阳能的热接收率提高了 15%。 1998年美国加州成功的研究了八 JM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能量，使热收率进一步提 ，该装置通过大直径回转台使太阳能接收器可从东到西跟踪太阳，这个方位跟踪器具有大直径的轨迹，通风窗体是白昼光照鼓膜结构窗体，窗体上面是圆顶结构，成排的太阳能收集器可以从东到西跟踪太阳，以提高夏季能量的获取率。 2020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。 1994年在德国北部，太阳能厨房投入使用，该厨房也采用了单轴太阳能跟踪装置 1321。 捷克科学院物理研究所则以形状记忆合金调节器为基础，通过日照温度的变化实现了单轴被动式太阳跟踪。 近几年来国内不少专家学者也相继开展了这方面的研究。 1929 年推出了太阳灶 自动跟踪系统。 1994年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单轴跟踪，国家气象局计量站在 1990 年研制了 FST型全自动太阳跟踪器，成功的应用于太阳辐射观测。 不论是 单 轴跟踪或 双轴跟踪，太阳跟踪装置可分为 ： 时钟式、程序控制式、压差式、控放式、光电式和用于天文观测和气象台的太阳跟踪装置几种。 （ 1）时钟式太阳跟踪装置是一种被动式的跟踪装置，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。 双轴跟踪器的主要结构是通过电机带动反射器以每小时 15度的恒速绕日轴转动，以跟踪太阳的赤经运动，另一个电机带动反射器以每天以巧分的恒速绕季轴旋转，以跟踪太阳的赤纬运动。 这 样反射器就能全年和入射阳光相垂直，达到跟踪太阳的目的。 为了完成这两个方向上的跟踪，机构应该采用子午坐标跟踪系统。 这种跟踪装置的主要优点是 :结构简单，便于制造，并且该装置的控制系统也十分简单。 其主要缺点是 :跟踪精度不够。 太阳的高度角随季节的变化不是均匀的，对这种属于被动式的跟踪装置，单轴跟踪系统需要在每天开始工作时调整角度以对准太阳，双轴跟踪系统累积误差比较大，需要定期进行校正。 （ 2）程序控制式太阳跟踪装置是与计算机相结合的。 首先利用一套公式通过计算机算出在给定时间的太阳的位置，再计算出跟踪装置被要求的位置 ，最后通过电机传动装置达到要求的位置，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。 在美国加州建成的 10MW太阳 1号塔式电站，就是使用这种控制系统，在总计 28万平方米的范围内分散着 1818块反射镜。 首先计算出太阳的位置，然后求出每个反太阳能电池板照射角自动跟踪系统设计 9 射镜要求的位置，再通过固定在两个旋转轴 (高度角和方位角跟踪轴 )上的 13位增量式编码器得到反射镜的实际位置，最后把反射镜要求所处的位置同实际上所处的位置进行比较，偏差信号用来驱动，使反射装置对太阳运动进行跟踪 I38)。 这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差 ，并且自身不能消除。 （ 3）压差式太阳跟踪装置 .武汉市电子产品研究所，参考国外单轴跟踪太阳时角的热水器，研制了一种压差式单轴太阳跟踪器，现己用在太阳能热水器上。 这种太阳能热水器的吸热板南北放置，其倾角可按不同季节通过手动调节。 为了取得太阳的偏移信号，在反射镜周边设有一组空气管作为时角的跟踪传感器。 当太阳偏移时，两根空气管受太阳的照射不同，管内产生压差，当压力达到一定的数值时，压差执行器就发出跟踪信号，用压力为。 .IMPa的自来水作为跟踪动力 (若无自来水，可装一只容积为 ZL的压力水箱 )。 带动镜面跟踪太阳 .当镜 面对准太阳时，管内压力平衡，压差。