新型低能耗太陽能方位檢測與跟蹤技術(shù)

1、    新型低能耗太陽能方位檢測與跟蹤技術(shù)日期: 2010-3-31 10:06:29瀏覽: 117來源: 學(xué)海網(wǎng)收集整理作者: 未知摘要：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(jí)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，

2、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(duì)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(jí)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

3、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(duì)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(duì)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

4、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(duì)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)28003300h(670837) kJ225285kg63.975.3%二類地區(qū)30003200h(586670) kJ200225kg68.

5、573.1%三類地區(qū)22003000h(502586) kJ170200kg50.268.5%四類地區(qū)14002200h(419502) kJ140170kg32.050.2%五類地區(qū)10001400h(335419) kJ115140kg22.832.0%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(duì)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。

6、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(duì)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(hào)。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(duì)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

7、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(hào)，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短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此檢測連續(xù)變化的光照度時(shí)，應(yīng)當(dāng)盡量減小負(fù)載電阻，使光電池在接近短路的狀態(tài)工作，也就是把光電池作為電流源來使用。在光信號(hào)斷續(xù)變化的場合，也可以把光電池作為電壓源使用。其優(yōu)點(diǎn)為調(diào)節(jié)較為精確,電路也比較簡單。結(jié)構(gòu)上，采用N路微型光電池均勻分布在一個(gè)半圓弧上，當(dāng)太陽正對(duì)某一個(gè)微型光電池時(shí)，此時(shí)它的輸出最大,系統(tǒng)就能判斷此時(shí)太陽的位置而進(jìn)行跟蹤。當(dāng)太陽轉(zhuǎn)

8、到兩個(gè)微型光電池中間時(shí)，此時(shí)由于這兩路光電池輸出相等，也能判斷太陽的方位而進(jìn)行跟蹤。由于每2個(gè)微型光電池之間就有一個(gè)中間位置,所以共有N-1個(gè)這樣的位置,這樣N路微型光電池共能判別2N-1個(gè)太陽方位.假設(shè)我們需要的跟蹤范圍是150度,那么可識(shí)別的精度則為150/(2N-1)度, 我們可以通過選擇N的值來方便調(diào)整需要的精度。這樣太陽任何時(shí)間出現(xiàn)在圓弧的任意位置上，只要在可檢測的那2N-1個(gè)方位上，電池板便可以迅速跟蹤。 處理器檢測到跟蹤信號(hào)后驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn),無需在每晚回到初始位置等候太陽，避免每天開始陰天時(shí)系統(tǒng)多做無用的跟蹤，而是隨時(shí)根據(jù)那N路微型光電池檢測太陽的方位，從而將系統(tǒng)運(yùn)行功耗降到最低

9、。2.2分級(jí)跟蹤考慮到開環(huán)跟蹤系統(tǒng)在多云和陰雨天還進(jìn)行跟蹤會(huì)加大系統(tǒng)運(yùn)行功耗，綜合跟蹤利用效率不高，故我們采用閉環(huán)控制，同時(shí)采用分級(jí)跟蹤。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到上限值時(shí)，實(shí)行密跟蹤。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到下限值時(shí)，停止跟蹤。而在中間狀態(tài)時(shí)實(shí)行疏跟蹤。這樣不僅充分利用太陽光光照強(qiáng)度大時(shí)的獲得更多的能源。在光照強(qiáng)度一般但還可以發(fā)電時(shí)，放慢跟蹤幅度，這樣可以有效降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗而對(duì)輸出功率沒太大影響。當(dāng)光照強(qiáng)度達(dá)到下限值時(shí)，停止跟蹤，這樣就避免無效的跟蹤從而降低系統(tǒng)運(yùn)行功耗，而當(dāng)光照強(qiáng)度滿足要求時(shí)再迅速檢測方位并跟蹤。2.3.電路原理與電路實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)框架圖如下圖所示。該系統(tǒng)以TI公司的TMS320LF2407型DSP作為核心處理器，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的自動(dòng)跟蹤、系統(tǒng)保護(hù)、顯示、信號(hào)檢測與監(jiān)控等功能。啟動(dòng)信號(hào)由5路微型光電池組成?？紤]到系統(tǒng)對(duì)他們差值敏感，所以我采用一個(gè)5通道的模擬開關(guān)在DSP的控制下分別傳送這5路信號(hào)，都分時(shí)通過一路放大和調(diào)理電路，原因是考慮到做5路放大與調(diào)理電路難以保證一致性，比如放大倍數(shù)，(在本設(shè)計(jì)中，5路光電池信號(hào)大小相差很大)溫漂