太阳光自动跟踪仪系统设计_毕业论文(编辑修改稿)

太阳光自动跟踪仪系统设计_毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

单元模型和外观。 电池单元是光电转换的最小单元，一般不单独作为电源使用。 将每个单元进行串、并联并封装后就成为光伏电池组件，功率一般为几瓦、几十瓦甚至数百瓦，众多光伏电池组件需要再进行串、并联后形成光伏电池阵列，就构成了“太阳能发电机（ Solar Generator）”。 这与传统的发电方式是完全不同的：既没有旋转的转动部分，也不排出气体，是清洁的、无噪声的发电机。 图 21单个光伏电池的模型和外观 光伏电池的物理模型 光伏电池受光的照射便产生电流。 这个电流随着光强的增加而增大，当接受的光强度一定时， 可以将光伏电池看作恒流电源。 目前使用的光伏电池可看作 PN 结型二极管，因为在光的照射下产生正向偏压，所以在 PN 结为理想状态的情况下，可根据图 22 表示的等效电路来考虑。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 图 22 理想状态的太阳能电池等效电路图 在这种等效电路中，加给负荷的电压 V 和流过负荷的电流 I 之间的关系式， 可由下式给出。 e x p 1Lo qVI I I n K T   (21) 其中 I 为电池单元输出电流； IL 为 PN 结电流（ A）； IO 为二极管的反向饱和电流（ A）； V 为外加电压（ V）； q 是单位电荷 （ 10 19 k 库仑）； K 是玻耳兹曼常数（ 10 23 J/K）； T 是绝对温度（ K）； n 为二极管指数 [5]。 但是在实际的光伏电池中，由于电池表面和背面的电极和接触，以及材料本身具有一定的电阻率，流经负载的电流经过它们时，必然引起损耗，在等效电路中可将它们的总效果用一个串联电阻 RS来表示；同时，由于电池边沿的漏电，在电池的微裂痕、划痕等处形成的金属桥漏电等，使一部分本该通过负载的电流短路，这种 作用可用一个并联电阻 RSh 来等效表示。 此时的等效电路可根据图 23 来描述，其伏安特性可由 22 式给出。 图 23 实际光伏电池等效电路图  e x p 1S SLoShq V R I V R II I I n KT R     （ 22） 内蒙古科技大学毕业设计说明书 此式叫做光伏电池的超越方程式。 光伏电池的输出特性及其影响因素 光伏电池的输出特性包括伏安特性、温度特性和光谱特性，其中伏安特性和温度特性主要通过 IV 和 PV 特性曲线来加以体现。 而光谱特性主要研究光伏电池与入射光谱的关系，所以本文不对其进行讨论。 本节将着重探讨前两种特性及其相关参数。 光伏电池的 IV 和 PV 特性曲线 光伏电池的伏安特性是一定光强、一定温度下，电池的负载外特性，直接反映出电池输出功率。 在一定的光强的照射下，特性曲线完全由电池的 PN 结特性和电阻分散参数确定。 对应不同的光照强度时，电池有不同的输出特性曲线，曲线上任何一点都可以作为工作点，工作点所对应的纵和横坐标分别为工作电流和工作电压，两者之积即为电池的输出功率 P，即 P=VI。 如图 24 所示 [6]。 图 24 光伏电池的 IV和 PV特性曲线 可以看出，此 IV 曲线具有高度的非线性特征，这样就存在一个最大功率输出问题，在第四章中将对 此问题进行研究。 在 PV 特性曲线中，可以看出随着端电压由零逐渐增长输出功率先上升然后下降，说明存在一个端电压值，在其附近可获得最大功率输出，跟 IV 曲线说明了同一个问题，这为光伏发电控制方法的改进提供了途径。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 光伏电池的主要参数 光伏电池的几个重要技术参数 [7]： Isc：在给定日照强度和温度下的最大输出电流。 Voc：在给定日照强度和温度下的最大输出电压。 （ IM）：在给定日照强度和温度下相应于最大功率点的电流。 （ VM）：在给定日照和温度下相应 于最大功率点的电压。 （ PM）：在给定日照和温度下光伏电池可能输出的最大功率。 ： MOC SCPFF VI  （ 23） ：输出功率 Po 与阳光投射到电池表面上的功率 Ps 之比，其值取决于工作点。 通常采用光伏电池的最大效率值作为其效率 ， MMPPSPP （ 24） 以上各个参数可以在图 25 中表示如下： 图 25 光伏电池的伏安特性曲线 图 25 中，在 IV 曲线上总可以找到一工作点，此点处的输出功率最大，此点就是最大功率点（ MPP），即图中 M 点。 M 点所对应的电流 IM 为最佳工作电流， VM 为最佳工作电压， PM 为最大输出功率，由图和公式还可以看出，光伏电池不工作于最大功率点时，其效率都低于按此定义的效率值，甚至会低到零。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 太阳的光照强度对光伏电池转换效率的影响 图 25 中的伏安特性曲线是在一定的光照强度和环境温度下得到的，在实际运用中，光伏电池的开路电压和短路电流都会随着两者的变化而变化。 图 26 是温度不变时，不同日照强度下的光伏电池的特性曲线。 图 26 不同日照强度下的光伏特性 （ a）光伏电池的伏安曲线；（ b）光伏电池的功率电压曲线 从实验中得到，电池的开路电压近似的与光强的对数成正比。 光强从 2001000W/m2开路电压变化比较平稳。 在实验中也发现，当早晨光线不强和中午烈日当空时，所测量的开路电压相差不大；而天空光线极差时，开路电压会直线下降，几乎为 0。 而短路电流是随光强的增加而成正比的增加 所以，在温度恒定的情况下，电池的转换效率会随光强的增加而增加。 对于一个给定的功率输出，电池的转 换效率决定了所需的电池板的数量，所以电池达到尽可能高的转换效率是极其重要的。 而这个结论就为提高转换效率提供了一种途径：可以通过加装聚光器来加强光照强度，从而减少光伏电池的使用，降低光伏发电的成本。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 温度对光伏电池输出特性的影响 温度上升将使光伏 电池开路电压 Voc 下降，短路 电流则略微增大，如图 27 是日照强度不变时，不同温度下的光伏电池的特性曲线。 由公式 MMPP Sp p可知其效率随着温度的上升而下降，即光伏电池转换率具有负的温度系数。 所以在应用时，如果使用聚光器，则聚光 器的聚光倍数不能过大，以免造成结温过高使电池转换率下降甚至损害电池。 图 27 不同温度下的光伏特性 （ a）光伏电池的伏安曲线；（ b）光伏电池的功率电压曲线 内蒙古科技大学毕业设计说明书 第三章 光伏发电系统中聚光器的研究与设计 太阳能聚光器的工作原理：利用光学系统（反射或折射器）使较大面积的入射光聚集在较小面积上，提高单位面积上的入射光强度。 对于给定的总能量，聚集在较小的面积上意味着较小的热量损失。 虽然太阳光经过会聚之后会造成一定的光学损失，流失一部分能量（相对较少），但实验表明在一定程度的光线会聚之后，工作温度有一定程度的提高。 具体的聚光器工作原理和性能特点在下文中将予以详细的分析。 聚光比 聚光器的聚光比，是反映聚光器聚光性能的一个重要参数，在研究聚光器之前，首先要介绍一下太阳能聚光器的聚光比。 聚光比 C 的定义为：聚光器口径面积 A 和接收器吸收面积 A 吸 之比值。 具体公式如下 [7]： AC A吸 （ 31） 聚光比影响着聚光器的工作温度及其成本。 对于给定的入射光，聚光比越高，入射光就能会聚到越小的区域，热能的损失越低，聚光器的 工作温度相对越高。 同时根据经验可知，聚光比越高，聚光器的成本相对也就越贵。 图 31 表示聚光器聚光比 C 和聚焦中心可能达到的最高温度 Tmax 之间的关系。 图 31 聚光比与聚焦中心可能达到的最高温度的关系 内蒙古科技大学毕业设计说明书 典型聚光器的性能分析 抛物面反射镜的聚光性能 理论和实验都已证明抛物面反射镜是能将平行于镜面光轴的光线会聚于焦点的镜面。 由于实际的阳光并非平行光，所以阳光经抛物面镜聚焦后，不可能会聚在一点，而是形成一个焦斑区域。 在槽形抛物面反射镜中，接收器通常为圆管；聚焦旋转抛物面聚光器的吸收器可以是球体、圆板、也可以是空 腔球体。 现以槽形抛物面反射镜和圆管接收器为例来分析抛物面反射镜的聚光性能。 图 32 为典型的槽形抛物面反射镜的光路图。 图 32槽形抛物面反射镜的光路图 聚光器的聚光比根据定义为： A B l BC A d l d   吸 （ 32） 式中 l— 槽形抛物面反射镜的长度； B— 槽形抛物面反射镜的开口宽度； d— 圆管接收器的直径。 内蒙古科技大学毕业设计说明书 图 33槽形抛物面反射镜局部光路分析图 由 32 式可知，接收器的直径的大小是由聚光比决定的。 如图 33，与聚光比关系推导如下： 2 sind R a （ 33） 式中 a 为太阳张角的半角，具体的角度为 16176。 ； R 为抛物面上任何一点到接收器中心的距离，根据抛物而的方程2 4sincosy fxyRx f R  求解得到： 21 cosfR   （ 34） 4 sin1 cosfd   （ 35） θ— 位置角，即任意一点的反射光轴与镜面主光轴之间的夹角。 θ 是变量， 35 式不等号右边的函 数是关于 θ 的函数，不管 θ 取何值，接收器直径必须满足 35 式。 可以将35 式理解为接收器的直径（越小损失越小）至少要等于右边函数的最大值。 所以，通过求出 35 式右边函数的最大值，得到： 22 sin16Bdf f  （ 36） 将上式带入 32 式，求得理想情况下槽形抛物面聚光器几何聚光比 C 的计算式为： 内蒙古科技大学毕业设计说明书 2107 .316BCBff  （ 37） 以上是当接收器为圆管时得到的结果。 其它形状的接收器，可以根据相同的原理进行分析 [8]。 复合 抛物面（ CPC）聚光器 上一小节所提到的抛物面反射镜聚光器进行聚光成像，需要平行于镜面主光轴的光线，也就是聚光器需要接收太阳直射辐射才能工作。 所以抛物面反射镜聚光器需要附加跟踪装置工作。 但是跟踪装置开发困难、制造成本较高，这使得人们转向寻找一种不用跟踪装置的聚光器。 复合抛物面聚光器，是由二片槽形抛物面反射镜以及装设在底部的接收器构成。 这种聚光器只聚光不成像，因而不需要跟踪太阳，至多只需要根据季节变化作少量倾斜度的调整。 要分析 CPC 复合聚光器的性能，我们引入这样一个常量 — θmax 入射光最大张角。 其物理含义为 ：对任意一个复合抛物面聚光器，对于在 θmax 范围以内的全部入射光线，都按最大聚光比聚集给接收器，超过 θmax 范围外的光线经过抛物面镜反射回太空。 图 34 复合抛物面聚光器的光路分析图 内蒙古科技大学毕业设计说明书 如图 34，已知抛物线 U 和抛物线 V 是轴对称的，且抛物线 U 的焦点 fU 在抛物线 V上，根据对称性原理抛物线 V 的焦点 fV也在抛物线 U 上；抛物线的主光轴与 CPC 中轴的夹角为 θmax。 根据抛物面聚光器的聚光原理以及 θA 定义，复合抛物面聚光器有：当入射光与 CPC 中轴的夹角小于 θmax 时就被抛物面镜直接反射到底部接收器上；当入射光 与CPC 中轴的夹角等于 θmax 时，光线就能被抛物面镜反射到底部接收器的边缘点（抛物面焦点 fU 或 fV上）；当入射光与 CPC 中轴的夹角大于 θmax 时，都被抛物面镜反射回天空。 也就是说，如果抛物镜是理想的，投射在 CPC 开口上的在 177。 θmax 之间的辐射都会被会聚到接收器上。 根据已知理论，理想的二维 CPC 的聚光比为： max1sinBC d  （ 38） 根据 38 式知， CPC 的聚光比完全由 θ max 决定，要得到大的聚光比， θ max 就必须减小，但理论及实验均证明 θ max 减小会导致一年之中调整 CPC 的次数增加。 设计 CPC时要注意这些问题。 折射式菲涅尔聚光器 菲涅尔聚光器是一种使透射的入射光折射聚焦的聚光器，聚光器一面为平面，另一面为按照一定宽度和角度设计的锯齿棱角，如图 35 所示，它可以设计成点聚焦式（圆盘镜），也可以设计成线聚焦式（长条镜）。 图 35菲涅尔透镜聚光方式 内蒙古科技大学毕业设计说明书 折射式菲涅尔聚光器的工作原理相对反射式的聚光器来说较简单。 阳光从平面一侧透射到另一侧，经过锯齿棱角折射，会聚到一个小的区域范围内，其光学原理如图 36所示。 图 36菲涅尔折射聚光器的光折射原理 设菲涅尔透镜某一锯齿的棱角为Φ，当阳光垂直于透镜平面入射时，根据光的折射几何关系有：  22ta n xn x f f   （ 39） 式中 n— 材料的折射率；。