光伏发电的自动跟踪系统的设计

基于光伏发电的自动跟踪系统的设计摘要太阳能作为一种可以永续使用的绿色可再生能源，有着巨大的开发应用潜力。但由于光伏电池的输出特性与外界环境因素的变化有很大关系，目前大规模量产的光伏电池光电转换效率仍然不高且价格昂贵。光伏发电自动跟踪装置是提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。研究精确的太阳跟踪装置，可使光伏电池板接收到更多的太阳辐射能量，增加发电量。本课题主要论述了单轴太阳能自动跟踪系统的设计方法。对自动跟踪控制系统的组成及其功能进行了详细的分析与研究，采用单片机AT89S8252作为控制芯片，设计了整套自动跟踪装置。所设计出的系统具有体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等特点。关键词：光伏系统；太阳角自动跟踪；单轴跟踪系统AutomatictrackingbasedonphotovoltaicenergysystemdesignChenHongliangFacultyadviser:ChenXiuhong(ElectricalEngineeringandAutomationProgram20090403,ElectricalandMechanicalScienceandEngineering,HebeiNormalUniversityofScience&Technology)AbstractSustainableuseofsolarenergyasacanofgreenrenewableenergy,hasgreatpotentialforthedevelopmentandapplication.However,theoutputcharacteristicsofphotovoltaiccellsandchangesinenvironmentalfactorscloselyrelatedtothecurrentmassproductionofphotovoltaiccellsconversionefficiencyremainslowandhighprice.Automatictrackingphotovoltaicsolarpowerplantistoincreaseutilization,reducethecostofphotovoltaicpowergenerationaneffectiveway.Ofaccuratesolartrackingdevice,photovoltaicpanelscanreceivemoresolarradiationenergy,toincreasecapacity.Thisthesismainlydescribesthemethodofsingleaxissolarenergyautomatictracingsystem.Everypartofthisautomaticsystemanditsfunctionareanalyzedindetail.AsetofautomatictracingdeviceisdesignedwithMicrocontrollerAT89S8252.Thissystemhasfourcharacteristics,suchassmallercubage,lowerpower,andlowercost,morerobustdespitestronginterfere.Keywords:Photovoltaicsystem;Solarangleautomatictracing;Singleaxistracingsystem第1章引言能源问题关系到经济是否能够可持续发展。一次能源的日益枯竭，已引起全世界的极大关注。现在人们常用的一次能源有煤炭，石油，原子能等。人们能源消费的大部分的煤炭和石油都是有限的，不可再生的。形势是很严峻的，当前世界多数国家对能源问题都很重视。新能源技术及节能技术在世界范围内迅速发展。太阳能，绿色生物能，燃料电池，海洋能等新能源的研究与应用为人们描绘出希望。其中太阳能应用技术以其独特的优势在全世界蓬勃发展，使人们在能源危机的焦虑中，感到不少欣慰[1]。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国土跨度从南至北，自西至东，距离都在5000km以上，总面积达960×104km2，占世界陆地总面积的7%，居世界第三位。在我国广阔富饶的土地上，有着十分丰富的太阳能资源。太阳辐射能与煤炭、石油、核能相比较，有如下的优点:(1)普遍性；(2)无害性；(3)长久性；(4)巨大性。太阳能应用包括太阳能发电和太阳能热利用。太阳能发电又分为光伏发电，光化学发电，光感应发电和光生物发电。光伏发电是利用太阳能电池这种半导体器件吸收太阳光辐射能，使之转化成电能的直接发电形式，光伏发电是当今太阳能发电的主流。世界光伏产业目前以32.1%的年平均增长率高速发展，位于世界能源发电市场增长率的首位。日本通产省(MITI)第二次新能源分委会宣布了光伏、风能和太阳热利用计划，2010年光伏发电装机容量达到5GW。欧盟的可再生能源白皮书及相伴随的“起飞运动”是驱动欧洲光伏发展的里程碑，总目标是2010年光伏发电装机容量达到3GW。美国能源部制定了从2000年1月1日开始的5年国家光伏计划和2020～2030年的长期规划，以实现美国能源、环境、社会发展和保持光伏产业世界领导地位的战略目标。按照预计的发展速度，2010年美国光伏销售达到4.7GW。发展中国家的光伏产业近几年一直保持世界光伏组件产量的10%左右。预测未来10年仍将保持10%或稍高的发展水平，达到1.5GW(约10.6%)。其中印度近几年发展迅速，居发展中国家领先地位，目前光伏系统的年生产量约10MW，累计安装量40～50MW。因此，到2010年世界光伏系统累计安装容量将达到14～15GW。2005年我国系统累计装机容量为70MW，我国承诺2010年太阳能光伏累计装机容量450MW。从国家发改委制定的中长期规划看，2006-2020年每年的平均装机容量约60MW。我国目前已开始普及使用无跟踪装置的户用太阳能光伏系统。但由于太阳能电池价格昂贵，无跟踪装置的光伏系统发电效率较低，普遍推广应用受到影响。相对于无跟踪装置的光伏系统，双轴自动跟踪系统虽然能提高发电效率（约提高50%），但其造价高，结构复杂，维护困难，也难以推广使用。针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善，此方法必须满足低成本，高可靠性，高性价比。单轴自动跟踪系统和双轴自动跟踪系统相比结构更简单且费用最低[2]。单轴太阳能电池自动跟踪踪系统主要包括机械部分和控制部分。机械装置由电机驱动，可以使电池板水平方向角为0°～180°，控制部分主要由单片机系统构成，单片机系统具有成本低，智能化程度高,扩展性强等优点，由单片机系统配合外围的电路元件实现对太阳能电池板的控制。垂直方向角变化不大，可以手动进行调整。单片机通过驱动电机使太阳能电池板朝着与太阳垂直的方向转动[3]。每隔一段时间，单片机的输出引脚发生电平变化，此信号经过放大电路使电机发生转动，带动太阳能电池板转过一定角度，实现了方向角的跟踪。到了夜间，电池板通过电机反转自动回到初始位置。俯仰角在短时期内变化不大可根据当地的地理位置等环境条件定期人为进行调整。本文的主要任务包括：自动跟踪系统的硬件系统设计和软件系统设计。硬件系统由实时时钟、单片机、驱动电路、步进电机组成。控制功能主要是由单片机软件来实现的。根据系统的设计要求，软件设计主要包括：单片机主程序设计、定时计数器中断服务程序设计、电机驱动程序设计。第2章跟踪系统设计方案2.1控制方法的确定2.1.1该领域现有的控制方法太阳电池方阵的发电量与阳光入射角有关，光线与太阳电池方阵平面垂直时发电量最大，改变入射角，发电量明显下降。基本原理与结构：由两台电动机和减速机分别构成方位角转动机构和高度角转动机构，光电传感器内置放大，与太阳电池板方阵平面垂直安装。随着光线方向的细微改变，传感器失衡，引起系统输出信号产生偏差，当这一输出信号达到一定幅度时，方向开关电路启动，执行机构开始进行纠正，使光电传感器重新达到平衡，即太阳能电池板方阵平面与光线成90度角而停止转动，完成一次调整周期。如此不断调整，时刻沿着太阳的运行轨迹追随太阳，构成一个闭路负反馈系统，实现了跟踪。该系统不需设定基准位置，跟踪器永不迷失方向。系统设有防杂光干扰及夜间停止跟踪电路，并附有手动控制开关，以方便调试[4]。系统结构如图2-1所示。阴天或太阳被云层遮挡时，光线很弱，发电量极小，跟踪将无意义，系统会自动停止跟踪。即使天边某处透出相对较亮的光线，跟踪器也不会被误导跟踪，实现了防杂光干扰。云散日出时，自动跟踪器即时响应，找到太阳，跟踪到位。傍晚光线消失，已不能发电，传感器会发出信号，夜间停止电路启动，并转回到东方，转动机构上下终点共设4个限位开关，以防万一出轨。图2-1双轴光伏发电自动跟踪系统结构框图跟踪器所用传感器有三种：方位和仰角太阳传感器，风力传感器，日光开关。太阳传感器是把聚光电池阵列法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号的装置，它是跟踪系统的重要部件，在很大程度上决定跟踪的精度。太阳传感器测量太阳的方位，如有偏向，通过驱动电机的运转使电池阵列对准太阳。风力传感器采用感应式器件，当风力达到一定强度（如8级风）时，控制器控制仰角驱动电机转动，使阵列向水平方向运行，直到阵列受光电传感器防干扰电路方位角开关电路高度角开关电路夜间停止电路方位角转动机构高度角转动机构力最小为止。在这种状况下，仰角驱动电机，不受方位太阳传感器控制[5]。日光开关也是采用光敏器件，使白天太阳能电池阵列受方位太阳传感器控制而运转；夜间，阵列不受方位太阳传感器控制，而仅受日光开关控制向东方向运行，即阵列返回到早晨初始位置。2.2本课题设计方法的提出2.2.1单轴与双轴自动跟踪系统的比较双轴自动跟踪系统是目前研究开发使用的系统，它的跟踪效果好，可提高发电量，是一种非常有前途的方法，但适用于较大型的太阳能发电系统中。我国部分地区的无跟踪光伏系统，太阳能发电效率较低[6]。针对这一实际情况需采用合理的方法进行改善，此方法必须满足低成本，高可靠性，高性价比。单轴自动跟踪系统和固定式光伏发电系统相比跟踪效果好，结构简单且费用较低。鉴于以上谈到的太阳能发电自动跟踪系统的原理与基本方法，对双轴自动跟踪系统进行了一定的改进，设计出具有很好性能价格比的单轴自动跟踪系统，同时也满足实际需要。太阳能电池板与地面水平面南北方向成φ角，此高度角可手动进行调整。东西方位角通过单片机控制系统进行自动跟踪，始终追随太阳的东西方位，使太阳能电池保持较大的发电功率[7]。后面部分有详细的设计内容，这里就不具体介绍了。2.2.2设计目标和设计要求课题设计目标:根据太阳辐射能的特点、光伏电池的特性以及地球与太阳的运动规律，实现对太阳能方位角的跟踪。经查询相关资料知道秦皇岛地区地理位置，东经：118°33′，北纬：39°24′。φ——当地的地理纬度ω——当时的太阳时角，其计算公式为15)12(ST（2.2）式中Ts（0－24h）为每日时间，时角上午为正，下午为负。根据2.2式可得时间与时角的关系如表2-3课题设计要求：所设计的单轴太阳自动跟踪系统的核心部分是单片机，需设计合理的程序近而对电机进行控制，适时改变电池板的角度。表2-3时间与时角关系时间T时角（度）6：00-907：00-758：00-609：00-4510：00-3011：00-1512：00013：001514：003015：004516：006017：007518：0090第3章自动跟踪的硬件系统设计3.1硬件设计方案国内外目前已有了很多光伏电站。太阳能发电在我国多采用传感器跟踪式的系统，发电成本还很高，不利于跟踪系统的推广与发展。提高发电效率是降低成本的捷径，本文设计的太阳能电池自动跟踪系统，使太阳能电池板始终对着太阳，保持最大的发电效率，具有成本低等优点，有较好的推广应用价值[8]。太阳能电池是依靠太阳光辐射能而产生电能的器件，同样的一块太阳能电池板由于放置