太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

太阳能光伏发电光源跟踪控制系统——硬件部分_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

电力有限公司为代表的企业已具备较好的产业基础。 据中国太阳能学会秘书长孟宪淦介绍，我国是太阳能资源丰富的国家之一，我 国有荒漠面积 108 万平方公里，大多分布在光照资源丰富的西部高原地区，一平方公里面积可安装 100 兆瓦光伏阵列，每年能发电 亿度。 只要开发利用 1%的荒漠，就可以发出相当于我国 2020 年全年的耗电量。 看来，在我国加快采用太阳能是有很好的基础的。 据发展改革委能源局介绍，截至 2020 年年底，我国太阳能热水器年生产能力达到 1500 万平方米，在用太阳能热水器总集热面积达１亿平方米，生产量和使用量均居世界第一。 全国有 1000 多家太阳能热水器生产企业，年总产值近 120 亿元，已形成较完整的产业体系，从业人数达20多万人。 到 2020 年，太阳能光伏发电将达到 180万千瓦，太阳能热水器总面积将达到３亿平方米，太阳能利用年替代能源 6000 万吨标准煤 [1314]。 国外太阳能利用现状 从国际上看，世界各国从能源供应安全和清洁利用的角度出发，把太阳能的商业化开发和利用作为重要的发展趋势。 自 20世纪 80 年代以来，光伏产业可以说是世界上增长最快的高新技术产业之一。 欧盟、日本和美国把 2030 年以后能源供应安全的重点放在太阳能等可再生能源方面。 美国颁布一系列优惠政策， 2020年能源政策法规定，光伏系统投入费用可免税 30%。 据 SEIA 的统计， 2020 年美国太阳能光伏市场增长达 72%。 美国新的太阳能启动计划对太阳能项目研究的资助 2020 年达到 6500 万美元， 2020 年将达到 亿美元，而对美国国家可再生能源实验室（ NREL）的太阳能研发资助达 4500 万美元，其研究目标是到 2020 年使光伏能量可与其它电源相竞争。 日本政府于 2020 年年末宣布，要大力普及家庭太阳能发电，计划到 2030 年使家庭采用太阳能发电的由现在的约 40万户扩大到 1400 万户，相当于日本全国家庭总数的约 30％，该项目标已列入日本的“能西安工业大学毕业设计（论文） 6 源革新技术计划”。 日本政府决定将在 2020 年成立由国内外专家组成的国际研究机构，专门从事低成本新型太阳能板的研制开发，并在年度预算中列入相关经费20 亿日元。 据国际能源机构的统计， 2020 年包括企业在内，日本的太阳能发电容量为 171 万千瓦。 目前日本住宅用太阳能发电设备的价格在 200万日元左右，包括发电成本在内，太阳能发电的低价格化是普及太阳能发电的一大课题。 因此，日本政府提出将开发使能源效率比现在提高 12 倍的新型太阳能板，使发电成本大体上与火力发电相当，到 2030年其成本由现在的每千瓦 46日元降低到 7日元。 日本政府的目标是，在 2030 年之 前要将住宅用太阳能电力容量 (现在为 130 万千瓦 )扩大到 30倍。 德国是一个能源紧缺的国家，能源供应在很大程度上依赖进口。 为摆脱对进口和传统能源的依赖，德国近年把能源政策重点放在节约传统能源和发展新型能源两个方面，以期实现能源生产和消费的可持续发展。 德国对可再生能源的利用通过立法、政府大量补贴等措施，使德国成为继日本之后世界光伏发电发展最快的国家。 德国 2020 年太阳能投资为 37 亿欧元，与风电和生物能一样同属发展最快的新能源之一。 根据太阳能协会 BSW 的数据，德国在 2020 年前 3年中，太阳能相关产品的产量增加了 5 倍 ，增速比其它国家平均水平高一倍。 全球最大的太阳能发电厂于 2020 年 9 月在德国南部巴伐利亚州投入使用，其发电总容量达 12兆瓦，能够为 3500 多个家庭供电。 该发电厂拥有 1400 多个可移动太阳能吸热发电板，这些发电板能够随着太阳的移动而自动旋转，从而最大限度吸收太阳热能。 这项技术使这家发电厂的发电能力比普通太阳能发电厂高出35％。 虽然目前太阳能占德国的能源供给不到 1％，但到 2020 年将超过 5%。 此外，在节能建筑应用太阳能方面，欧美一些先进国家，目前正在广泛开展应用“光电玻璃幕墙制品”，这是一种将太阳能转换硅片密封 在双层钢化玻璃中，安全地实现将太阳能转换为电能的一种新型生态建材。 比如美国的“光伏建筑计划”、欧 洲的“百万屋顶光伏计划”、日本的“朝日计划”以及我国已开展的“光明工程”等。 近几年来发达国家的“零能房屋”已有相当发展水平，许多国家的政府（如美国、德国）还制定了太阳能在国家总能源消耗中的所占比例应超过 20％的计划，如德国实施的 绿电计划 — 10 万家屋顶光伏发电计划自 1999 年开始实施，2020 年该计划顺利完成。 目前，光伏发电已向德国普通家庭推广。 日本自 1992年启动了“新阳光计划”，同时颁布了新的净电计量法， 要求电力部门以商品价格购买多余的光伏电量，并实行补贴政策。 日本居民光伏屋顶系统最近 5 年平均年增长率为 %[912]。 课题意义 由于太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。 尽管相继研究出一系列的太阳能设备，如西安工业大学毕业设计（论文） 7 太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能电池等等，但对太阳能的利用还远远不够，究其原因，主要是利用率不高。 就目前的太阳能设备而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍为国内外学者的研究热点。 解决这一问题应从两个方面入手，一是提高太阳能设备 的能量转换率，二是提高设备的能量接收效率，前者属于能量转换领域，还有待研究，而后者利用现有的技术则可解决。 提高太阳能利用率的途径通常有跟踪和聚焦两种方式。 跟踪指是太阳能利用装置始终垂直于太阳辐射光线，即入射角度为零。 香港大学建筑系的 KPCheng 和SCMHui 教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明对太阳光线运动的跟踪与非跟踪，太阳能设备能量的接收率相差 %，可见精确的跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。 国内外研究现状 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， 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 [8]。 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 ATM 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的能量 ,使热收率进一步提高； 研制了活动太阳能方位跟踪装置，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。 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。 2020 年 2 月 ,Acciona 太阳能公司建立的被称为西班牙最大的太阳能电站设施开始投入使用 ,整个设施由 400 个太阳跟踪托盘， 14400 个电池板组成。 这些太阳跟踪托盘设计结构为全年每天根据太阳不同的位置跟踪阳光 ,与通常固定的平面系统相比，这种托盘设计可以增加 35%的能源产出量。 在欧美国家现在有较成熟的主动式全方位太阳跟踪技术及产品。 中国早在 1958 年就开始了光伏电池的研究，于 1971 年首 次成功用于我国发射的东方红二号卫星上，并于 1973 年开始将光伏电池应用于地面，由于受到价格和产量的限制，市场发展缓慢。 在“六五”和“七五”期间，国家开始对光伏产业给予支持，促使光伏工业有了一定发展。 2020 年，国家计委启动“西部省区无电乡通电计划”，通过光伏和小型风力发电解决西部七省区 700 多个无电乡的用电问题，光伏电池用量达到。 该项目大大刺激了国内的光伏产业，国内建起了几条光伏电池封装线， 2020 年的年产量达到了 20MWP。 截止到 2020年底，中国太阳电池组件的生产能力己经达到 400Mwp， 当年产量达到 140Mwp，西安工业大学毕业设计（论文） 8 绝大部分太阳电池组件出口欧洲， 2020年国内安装量只有 5MWp， 2020年为 10Mwp，国内光伏电池累计使用量达到 80MWP。 目前国内外跟踪太阳的主要方法可以分为三种：①视日运动轨迹跟踪②光电跟踪③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。 现就这三种跟踪方案做一个简要的介绍和比较。 视日运动轨迹跟踪 视日运动轨迹跟踪，即计算机先根据太阳运行规律计算出一天内某时刻太阳的位置角度，然后运行控制程序使跟踪装置对准太阳完成跟踪。 视日运动轨迹跟踪系统可分为单轴跟踪和 双轴跟踪两种。 单轴跟踪一般采用 :①倾斜布置东西跟踪。 ②焦线南北水平布置 ,东西跟踪；③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。 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电池板垂直，收集太阳能的效果并不理想 [17][18]。 如果能够在太阳高度和赤纬角的变化上都能够跟踪太阳就可以获得最多的太阳能，全跟踪即双轴跟踪就是根据这样的要求而设计的。 双轴跟踪又可以分为两种方式 :极轴式全跟踪和高度角一方位角式全跟踪。 在双轴跟踪中极轴式全跟踪采用赤道坐标系，高 度角 — 方位角式全跟踪采用地平坐标 光电跟踪 目前，国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器如硅光电管。 在这些装置中，光电管的安装靠近采光板，调整采光板的位置使采光板对准太阳、硅光电池处于阴影区；当太阳西移时采光板的阴影偏移，光电管受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。 光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便；但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上 ，导致跟踪装置无法对准太阳，甚至会引起执行机构的误动作 [12]。 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 光电跟踪方法容易受外界天气、杂光的干扰。 视日运动轨迹跟踪在计算太阳角度的过程中会产生误差，从而影响跟踪精度，并且跟踪装置的机械执行机构的精密程度也会影响到装置的跟踪精度。 但是，将视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合就能克服两者的缺点。 在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度传感器。 当跟踪装置开始运行时，用两片高精度传感器初始定位。 在运行当中，以过程控制为主，传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。 这 样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。 这种跟踪方案跟踪精度高，工作过西安工业大学毕业设计（论文） 9 程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。 但计算过程十分复杂，高精度传感器成本也很高，对于需要降低成本的小型太阳能利用装置来讲，该种跟踪方式并不十分适用。 太阳与地球的位置关系 地球每天围绕通过它本身南极和北极的一个假想轴 —— 地轴自西向东自传一周，每转一周为一昼夜，一昼夜又分为 24 时，所以地球每小时自转 15 度。 在自转的同时。 地球围绕太阳在一个椭圆形轨道上公转，每公转一周为一个太阳年、它等于 365 天 5小时 48 分。 即 365． 241 天，因此每四年须闰一日。 地球的自转轴与公转运行的轨道面 (黄道面 )的法线倾斜成 度的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变，总是指向天球的北极，这也是太阳赤纬角的最大值。 在地球围绕太阳公转的一年中有四个特殊的日期，这就是受地球倾斜运动影响最大的冬至和夏至以及不受地球倾斜运动影响的春分和秋分。 在北半球，春分大约是 3 月 21 日、夏至是 6 月 22 日，秋分是 9 月 23 日，而冬至是 12月 21 日。 夏至的白天最长而冬至的黑夜最长；春分和秋分的昼夜各 12 个小时。 在设计太阳能应用系统时， 不可避免地都会涉及到地球和太阳的位置关系，如太阳高度角、方位角等问题。 a. 地平坐标系 以地平圈为基本圈，天顶为基本点，南点为原点的坐标系叫做地平坐标系，如图 所示。 通过天顶和太阳（任一天体） X作一大圆，叫做地平经圈；地平交地平面于 M点；从原点 S沿地平圈顺时针方向计量，弧 SM为方位角γ s(地平经度 )；弧 XM为高。