聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统*

2012-09-06王倩怡魏宏魁

山西电子技术 2012年5期

邓滔，王倩怡，付有，马龙，魏宏魁

（太原科技大学，山西太原 030024）

1 设计思路

目前我国的太阳能利用率处于较低水平，主要原因是太阳能密度低，照射到地面上的平均光强只有1 kW/m2，并且随着季节和天气因素的变化，更增强了太阳能利用的难度;我国现有的太阳能电池板的发展水平也限制了太阳能的利用率，目前，单晶体硅的太阳能转化率可以达到23%，多晶体硅可以达到16%，而薄膜的只能达到8%。这具有挑战性的难题是这次太阳能定位和跟踪系统设计的出发点。

为了克服太阳能量密度低的劣势，我们采用了带有定位与跟踪功能的太阳能电池板支架，利用电机传动带动电池板的两个自由度的旋转，尽量使每个时刻电池板都能垂直接收太阳能。跟踪功能的实现根本是定位，我们使用分辨率为640×320的CCD图像采集传感器，以至少0.2 s/幅的速度来拍摄参考物的太阳影子长度并与参考物的垂直投影作比较，精确地测量出当前太阳的偏转角度;通过高速的控制芯片，将得到的角度进行采集与处理，得到相应的控制角度与位移量。这样，定位的目的实现了，跟踪的效率自然就会大大提高。使用精度为1/10 000度的伺服电机与高精度涡轮蜗杆传动机构，使太阳能支架能自如的旋转，以最高的效率接受太阳能。

2 支架设计部分

在设计太阳能电池板支架的过程中，不仅要考虑到材料自身重量和惯性的因素，还要考虑到投入应用后，实际的自然条件的因素。大风是不可忽略的一个重要自然现象，在世界各个国家各个城市，全年都会刮起不同风速等级的大风。这就要求支架足够坚固，固定太阳能电池板的轴承足够稳定，足以承受大风所带来的力的作用。

图1 太阳能电池板支架

为此，设计中把支架和电池板的连接处设计成如图1所示。即在电池板的距离较长的对应两侧中央安装轴承，带动电池板做上下方向的旋转。这样的设计使“点接触”扩大到“线接触”。又由于太阳能电池板的重量平均分布在中轴的两侧，因此大风对电机的影响会降到最低，在旋转过程中，风也会由于平均作用在了电池板的两侧而减少电池板的形变。

太阳能电池板左右方向的旋转由下面箱体中的伺服电机控制，如图2所示。角钢支架与电动机的连接也采用钢管与轴承的连接方式。钢管横截面与角钢支架水平焊接，钢管的直径与壁厚根据电池板，支架，电机，轴承的总重量而定，以稳定性好为原则。

图2 太阳能电池板整体支架

控制左右方向旋转与上下方向旋转的伺服电机都密封在箱体里，主要考虑到雨雪天气里金属的传动机构不会有损害。

3 供电系统部分

太阳能光伏供电系统的基本工作原理是，在太阳光的照射下，将太阳能电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式，但是其基本原理大同小异。

将太阳能电池与用电器连接，需要考虑的主要问题是:

（1）电压是否相同;

（2）功率是否匹配;

（3）电池的持续供电能力。

解决以上问题，有不同方案可以选择。比如太阳能电池电压问题，可以采用串联电池或者采用逆变电路、稳压电路来解决，功率问题可以采取选择适合电池板、并联电池等技术解决，太阳能电池不足之处在于由于太阳光照的不稳定性，导致工作可靠性较差，想要实现持续不间断输出，一般需要加装蓄电池，并需要与之相配套的充电电路和逆变输出电路。

太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池（组）组成。如输出电源为交流220 V或110 V，按实际需要还可以配置逆变器。各部分的作用为:

（1）太阳能电池组件:太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。

（2）太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。

（3）蓄电池:一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。

图3 太阳能供电示意图

在太阳能供电系统的安装过程中，有如下几个步骤:

（1）安装选址这是安装太阳能电池板的重要步骤。在本项目中，拟给12号教学楼整体供电，故安装的最好选址是在教学楼楼顶，这样既有利于收集阳光能量，又不会给楼中的空间增加压力。

（2）计算每日耗电量这个数据必须准确，以确保设计的太阳能发电量足够用于整个教学楼的发电，并且有一定的余量，以便在阴雨天气时能够利用储存在蓄电池里的多余电能。

（3）太阳能板的计算与安装这一步骤涉及到的不仅是电力电子方面的计算，并且包括物理方面的计算，比如每一个太阳能板的尺寸，放置位置，太阳能板阵列的摆放面积，每一个太阳能电池板之间的尺寸等等，以及这些数据与能接收到太阳能量之间的关系。

（4）控制器的安装目前，室内系统大部分使用12 V、24 V和48 V的直流太阳能系统。教学楼的用电量较大，太阳能板的总电流计算公式为:

太阳能板的总电流=每块太阳能板的功率/W×太阳能板片数控制器额定电压/V.

如果系统超过1 000 W，尽量采用双控制器，以便于检测发电状况和使用维护。因为太阳能板在发电的时候并不是始终处于最大电流和电压，所以在选控制器时可以按照40%～50%的电流来选择，就可以满足需求。

（5）蓄电池的安装电池连接原则:与系统电压保持一致。

（6）逆变器的安装逆变器是连接负载和电池的最后一个关键组件，也是最容易的。只需将逆变器的正负极连接到电池的正负极就可以。但逆变器的选择十分重要，分为方波和正弦波逆变器，虽然效果相同，但两者的价格却相差两倍以上。故此处使用正弦波逆变器，除了价格便宜外，正弦波逆变器不仅可以加载所有负载，而且不会对任何电器的使用寿命造成影响。但要确保使用电器功率的总和不能超过逆变器的容量。