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新型低能耗太陽能方位檢測與跟蹤技術(shù)
（作者未知） 2009/7/31
摘要：在太陽能光伏發(fā)電技術(shù)上采用跟蹤技術(shù)可以提高太陽輻射能量的采集率，從而有效降低整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的成本。但是在跟蹤控制技術(shù)上，開環(huán)和閉環(huán)一直是人們爭論的問題。我通過分析全國日照時(shí)數(shù)表得出開環(huán)系統(tǒng)在太陽能光伏發(fā)電應(yīng)用中效率不高而并不適合被采用。為提高跟蹤效率，我采用閉環(huán)控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)一套新穎低能耗的太陽能任意方位檢測方案并提出分級跟蹤原理。根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)出一套自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，運(yùn)行結(jié)果表明該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)太陽任意方位檢測并迅速跟蹤，有效降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，減少機(jī)械結(jié)構(gòu)損耗，精度可調(diào)，對進(jìn)一步有效利用太陽能光伏發(fā)電和新型設(shè)備的研制有一定的探討意義。
關(guān)鍵詞：光伏發(fā)電 閉環(huán)控制 任意方位檢測 分級跟蹤
引言：在太陽能光伏發(fā)電技術(shù)上采用跟蹤技術(shù)可以提高太陽輻射能量的采集率，從而有效降低整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的成本。在控制方案上主要有開環(huán)，閉環(huán)和混合控制，目前各種方案國內(nèi)外都有相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)支持并且都較成熟。其中固然開環(huán)系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、不受天氣影響等優(yōu)點(diǎn)，但是我們從全國日照分布時(shí)數(shù)表上可以看出，全國平均日照時(shí)數(shù)并不是很高，可跟蹤利用效率總體偏低，那么用開環(huán)系統(tǒng)將做大量有消耗的無用跟蹤。這既增大了系統(tǒng)運(yùn)行功耗又加大了機(jī)械損耗。在檢測方案上，目前大多數(shù)方案的檢測視角太小，難以適應(yīng)太陽出現(xiàn)的隨機(jī)性。太陽光強(qiáng)在一天中變化較大，光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)跟蹤精度需要高點(diǎn)；光強(qiáng)較弱但還能發(fā)電時(shí)跟蹤精度高又沒太大意義；采用統(tǒng)一的跟蹤精度并不合適。進(jìn)一步有效利用太陽能，減小系統(tǒng)功耗，增強(qiáng)裝置的可靠性、耐用性，降低成本仍是今后研究的關(guān)鍵。
1控制系統(tǒng)選擇
在太陽能利用中常見的跟蹤裝置的控制系統(tǒng),按照控制系統(tǒng)對控制量(電機(jī)轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)角等)進(jìn)行控制時(shí),被控制量(跟蹤裝置的位置,轉(zhuǎn)角)對控制量產(chǎn)不產(chǎn)生影響,即是否存在著反饋，可以把控制系統(tǒng)劃分為三類：閉環(huán)、開環(huán)、混合控制方式,若存在反饋的稱為閉環(huán)控制,若不存在反饋的稱為開環(huán)控制,混合控制顧名思義就是開環(huán)和閉環(huán)控制方式的結(jié)合。
1.1開環(huán)系統(tǒng)
開環(huán)控制就是確定一個(gè)初始位置,根據(jù)某時(shí)刻太陽相對位置的差值,計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)過該差值所需的脈沖數(shù)。又分為時(shí)鐘跟蹤和程序跟蹤方式。這種方法雖然控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，但存在當(dāng)電機(jī)失步和堵轉(zhuǎn)時(shí)，跟蹤就不準(zhǔn)確。并且當(dāng)連續(xù)陰雨天時(shí)，不僅不能發(fā)電，同時(shí)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行還會(huì)消耗大量的功率。下表是我國太陽能分布情況。全年日照時(shí)數(shù):365*12h(白天)=4380h.
日照時(shí)數(shù)每平方米一年接受
太陽能總輻射量相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)煤可利用效率
X/4380*100%
一類地區(qū)2800~3300h(670~837) kJ225~285kg63.9~75.3%
二類地區(qū)3000~3200h(586~670) kJ200~225kg68.5~73.1%
三類地區(qū)2200~3000h(502~586) kJ170~200kg50.2~68.5%
四類地區(qū)1400~2200h(419~502) kJ140~170kg32.0~50.2%
五類地區(qū)1000~1400h(335~419) kJ115~140kg22.8~32.0%
由以上我國全年日照時(shí)數(shù)表可以看出，在全國范圍內(nèi)，日照時(shí)數(shù)分布在1000~ 3300h，在滿負(fù)荷利用下其綜合跟蹤利用效率(日照時(shí)數(shù)/全年日照時(shí)數(shù))為22.8%~75.3%。對于大部分地區(qū)而言，跟蹤效率在60%上下。如果采用開環(huán)跟蹤系統(tǒng)，那么在將近40%左右的時(shí)間里(比如陰雨天或者多云等不能發(fā)電的天氣)電機(jī)是在做有消耗的無用功，而且還有機(jī)械磨損等。短期這點(diǎn)損失不大，但是常年這樣其累積損失我們就不得不考慮了。開環(huán)控制原理圖如下：
1.2閉環(huán)系統(tǒng)
閉環(huán)控制方式就是使用一個(gè)傳感器來測定入射太陽光線和系統(tǒng)光軸間的偏差，當(dāng)偏差超過一個(gè)閥值時(shí)，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械部分轉(zhuǎn)動(dòng)，減小偏差直到使太陽光線與系統(tǒng)光軸重新平行，實(shí)現(xiàn)對太陽高度角和方位角的跟蹤。其控制原理如下圖所示。
常用的傳感器有光電池、光敏電阻、光電管等。閉環(huán)控制能夠克服開環(huán)的缺陷，但需要位置檢測信號。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，考慮到微型光電池跟光敏電阻、光電管相比, 靈敏度高，線性度好，不易飽和，溫度對其輸出影響要小，所以采用光電池作為方位和光強(qiáng)檢測元件。采用閉環(huán)系統(tǒng)后，在陰雨天和多云等不滿足發(fā)電的天氣里，由于光強(qiáng)達(dá)不到檢測元件設(shè)定好的閥值，從而檢測元件沒有信號，處理器就不會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。在檢測到光強(qiáng)滿足要求后，再由一系列微型光電池的特殊結(jié)構(gòu)來跟蹤太陽，從而實(shí)現(xiàn)方位的跟蹤。
2：設(shè)計(jì)原理
2.1任意方位檢測
由于微型光電池的（未完，下一頁）
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