光伏发电系统中自动跟踪太阳光传感器的设计

毕 业 设 计题目 : 光伏发电系统中自动跟踪太阳光传感器的设计姓 名： 刘 涛学 号： 201006050219 所在院系： 电气与信息工程学院班 级： 电子 102 指导教师： 宁 铎2014 年 6 月 10 日I光伏发电系统中自动跟踪太阳光传感器的设计摘 要经济的飞速发展，使得人类社会对能源的需求日益增加。化石能源为主的资源已经无法满足可持续发展的需求，能源供给和环境污染等问题也逐渐被重视。太阳能是一种非常具有开发潜力的能源，作为一种新型能源也逐渐成为世界各国的研究对象。由于太阳能光伏发电与外界环境因素的变化有很大关系， 而目前大规模量产的光伏电池的转换效率仍然不高且价格昂贵，因此光伏发电自动跟踪装置就成了提高太阳能利用率，降低光伏发电成本的有效途径。本文主要论述了自动跟踪太阳光传感器设计方法，在传统的光电跟踪基础上增加了一组粗定位传感器，而且在安装位置上做了改变，精定位传感器件采用同一片四象限光电池进行定位， 实现了高精度、 大范围跟踪， 同时， 采用 C805IF020单片机作为控制芯片。所设计出的传感器成本相对较低、抗干扰能力强。关键词 ：太阳能自动跟踪，传感器，大范围跟踪，四象限光电池II Photovoltaic Power Generation System Automatically Track The Sun Sensor Design ABSTRACTThe rapid development of the economy , making the increasing demand for energy in human society. Fossil -based energy resources has been unable to meet the needs of sustainable development, energy supply and environmental pollution problems are gradually being taken seriously . Solar energy is a very energy development potential , as a new type of energy is becoming the object of study of the world. Due to changes in solar photovoltaic power generation and environmental factors have a great relationship, and the conversion efficiency of the current mass production of photovoltaic cells is still not high and expensive, and therefore automatically photovoltaic solar tracking device became improve efficiency, reduce PV generation cost effective way . This article discusses the automatic tracking sun sensor design methods , in the traditional optical tracking based on the addition of a set of coarse positioning sensors , and at the mounting location made a change , fine positioning sensors use the same one four-quadrant photocell positioned to achieve a high-precision, large-scale tracking, while using C805IF020 microcontroller as control chip. The design of the sensor relatively lower cost , and strong anti-jamming capability. Key words: Solar automatic tracking, Sensor, Wide range of tracking, four-quadrant photocell III目 录摘 要 I ABSTRACT II 1 绪论 1 1.1 课题背景 1 1.1.1 能源现状及发展 1 1.1.2 我国的太阳能资源 1 1.1.3 太阳能的特点 1 1.2 课题研究的目的 2 1.3 课题研究的意义 2 1.3.1 新环保能源 2 1.3.2 提高太阳能的利用率 3 1.4 太阳能光伏发电国内外的现状 3 1.5 太阳能追踪系统国内外研究现状 4 1.6 论文的研究内容 5 2 跟踪方案的比较和传感器结构及工作原理介绍 6 2.1 地球绕太阳的运行规律 6 2.2 单轴与双轴自动跟踪系统的比较 6 2.3 跟踪方案的选择 8 2.3.1 视日运动轨迹跟踪 8 2.3.2 光电跟踪 . 10 2.3.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合 . 11 2.4 两级跟踪传感器的结构及优点 . 11 2.4.1 两级跟踪传感器的结构 11 2.4.2 两级跟踪传感器的优点 . 13 2.5 光电池的选择 . 13 2.6 大范围跟踪的可能性分析 . 15 2.6.1 光电池电压输出特性 15 2.6.2 两片光电池电压差输出特性 15 2.7 粗定位光电传感器工作原理 . 16 2.8 精定位光电传感器的工作原理 . 17 3 传感器电路及软硬件选择设计 19 IV 3.1 传感器检测原理 . 19 3.2 信号采集电路 . 19 3.3 光强信号检测处理电路 . 20 3.4 单片机选择 . 21 3.5 步进电机的概述 . 22 3.6 自动跟踪系统软件流程设计 . 22 4 总结 24 4.1 结论 . 24 4.2 展望 . 24 致 谢 . 25 参考文献 26光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 1 1 绪论1.1 课题背景1.1.1 能源现状及发展能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。 随着化石燃料的日渐枯竭和全球环境的不断恶化，很多国家都在探索能源多样化的途径，积极开展新能源和可再生能源的研究开发工作 [1] 。当前，包括我国在内的绝大多数国家都以石油、天然气和煤炭等矿物燃料为主要能源。可以预见在将来，煤炭、石油、天然气等矿物燃料仍将在世界能源结构中占有相当的比重，但人们对新能源的开发和利用日益重视特别是核能以及太阳能、水力能、地热能、生物能、风能等可再生能源资源的利用，在整个能源消耗中所占的比例正在显著地提高。据统计 [2] ， 20 世纪 90 年代，全球煤炭和石油的发电量每年增长 l%，而太阳能发电每年增长达 20%，风力发电的年增长率更是高达 26%。随着科学技术的发展和新能源技术的发展，可再生能源将在未来的时代与不可再生能源抗衡甚至超过，从而结束矿物燃料垄断能源的局面。相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在和发展方向。1.1.2 我国的太阳能资源我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。我国地处北半球欧亚大陆的东部，土地辽阔，幅员广大。我国的国领土总面积达 9603 104km，居世界第三位，占世界总面积的 7%。据估算 [3] ，全国各地太阳年辐射能量达 3340～ 8400MJ/(m2.a) ，我国每年接收的太阳辐射能约为 53 107MJ/（ m2.a ） 。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、新疆、青海、内蒙古南部、陕西北部、山西、河北、山东、吉林西部、辽宁、云南中部和西南部、福建东南部、广东东南部、西部以及台湾省的西南部和海南岛东部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在 4000m以上，大气层薄而清洁， 日照时间长， 纬度低， 透明度好。 例如被人们称为“日光城”的拉萨市， 1961年至 1970 年的平均值，阴天为 98.8 天，年平均晴天为 108.5 天，年平均云量为 4.8 ，年平均日照时间为 3005.7h ，相对日照为 68％，太阳总辐射为 816KJ/cm22 A，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，阴天达244.6 天， 年平均晴天为 24.7 天， 年平均云量高达 8.4 年， 平均日照时数仅为 1152.2h ，相对日照为 26％。其它地区的太阳年辐射总量居中。1.1.3 太阳能的特点陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 2 太阳是一个巨大的能源，万物生长都要依靠太阳，地球上绝大部分能源归根究底是来自太阳的。煤炭，石油都是古时候由动物或植物存储下来的太阳能。全世界人们一年所用的各种能量之和也只有到达地球表面的太阳能的数万分之一， 因此利用太阳能的潜力是十分大的。而相对于日益枯竭的化石能源来说，太阳能似乎是未来社会能源的希望所在。太阳能作为一种新能源，它与常规能源相比有三大优点 [5] ：第一，太阳能是取之不尽的可再生能源，可利用能量巨大。太阳放射的总辐射能量大约是 3.75 3 1021 kW，极其巨大的。其中到达地球的能量高达 1.73 3 1011kW,穿过大气层到达地球表面的太阳辐射能大约为 8.1 3 1013kW。 在到达地球表面的太阳辐射能中，到达地球陆地表面的辐射能大约为 1.7 3 1013kW，相当于目前全世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的三万五千多倍。太阳的寿命至少尚有 40 亿年，相对于人类历史来说，太阳可源源不断供给地球能源的时间可以是无限的。相对于常规能源的有限性，太阳能具有储量的“无限性” ，取之不尽，用之不竭。这就决定了开发利用太阳能将是人类解决常规能源缺乏、枯竭的最有效途径。第二，不存在运输问题，无论何处都有太阳能，可以就地开发利用，尤其对交通不发达的边远地区、海岛和农村更具有利用的价值。第三，太阳能是一种干净洁净无污染的能源 , 像风能、潮汐能等洁净能源一样，在开发和利用时，不会产生废气、废水、废渣和噪音，更不会破坏生态平衡，加之其储量的无限性，是人类理想的替代能源。太阳能利用的缺点：第一，能流密度较低，日照较好的，地面上 1 平方米的面积所接受的能量只有 1 千瓦左右。往往需要相当大的采光集热面才能满足使用要求，从而使装置地面积大，用料多，成本增加。第二，受天气影响较大，给使用带来不少困难。1.2 课题研究的目的本课题主要研究太阳光自动跟踪传感器的设计，从而将太阳光信息传递给跟踪系统，自动定位太阳位置和跟踪太阳光线，保证太阳能电池板平面始终与太阳光线垂直，提高太阳能转换的效率。1.3 课题研究的意义1.3.1 新环保能源长期以来 [6] ，世界能源主要依靠石油和煤炭等矿物燃料，燃烧时产生大量的二氧化碳，造成地生态环境恶化、球气温升高，而且这些矿物作为一次性不可再生资源，储量光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 3 有限。据国际能源机构预测，随着社会的发展能源消耗持续增长，在不久的将来人类将面临矿物燃料枯竭的严重威胁。这种全球性的能源危机下，迫使各国政府投入大量的人力和财力，研究和开发新能源，特别是太阳能、核能等。能源危机，环境保护成为当今世界关注的热点问题。据联合国环境规划署资料 {7} ，目前矿物燃料提供了世界商业能源的 95%， 且其使用在世界范围内以每 10 年 20%的速度增长。这些燃料的燃烧构成改变气候的温室气体的最大排放源，按照可持续发展的目标模式，决不能单靠消耗矿物原料来维持日益增长的能源需求。因此越来越多的国家都在致力于对可再生能源的深度开发和广泛利用。其中具有独特优势的太阳能开发前景广阔。日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为，到 2030 年，世界电力生产的一半将依靠太阳能。基于当今世界能源问题和环境保护问题已成为全球的一个“人类面临的最大威胁”的严重问题，本课题的目的是为了更充分的利用太阳能、提高太阳能利用率，而进行太阳光自动跟踪传感器的设计，这对我们面临的能源问题有重大的意义。同时太阳能又是一种无污染的清洁能源， 加强太阳能的开发， 对节约能源、 保护环境也有重大的意义 [8] 。1.3.2 提高太阳能的利用率太阳能是一种低密度、空间分布不断变化、间歇性的能源 [9] ，这就对太阳能的收集和利用开成了巨大的阻碍。尽管相继研究出一系列的太阳能装置如太阳能电池、太阳能干燥器、太阳能热水器等等，由于利用率不高，所以太阳能的利用还远远不够。就目前的太阳能装置而言，如何最大限度的提高太阳能的利用率，仍是各国学者的研究热点。解决这一问题应从两个方面入手 [10] ，一是提高太阳能的接收效率，二是提高太阳能装置的能量转换率， 前者利用现有的技术则可解决， 而后者属于能量转换领域， 还有待研究。太阳跟踪系统为解决这一问题提供了可能。不管哪类太阳能利用设备，如果太阳光能始终保持与它的集热装置垂直，并且收集更多方向上的太阳光，那么，它就可以在有限的使用面积内收集更多的太阳能。但是太阳在不停运动运动着，集热装置若想收集更多的太阳光，那就必须对太阳光线跟踪。香港大学建筑系的教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系， 理论分析表明[11]: 太阳的跟踪与非跟踪， 能量的接收率相差 37.7%， 进而提高了太阳能装置的太阳能利用率，所以我们应该在白天更精确的跟踪太阳，可使接收器的接收效率大大提高，拓宽了太阳能的利用领域。1.4 太阳能光伏发电国内外的现状太阳能光伏产业是世界发展速度最快的行业之一，之所以世界各国均将太阳能光伏发电作为新能源与可再生能源发展的重点是为了实现能源和环境的可持续性发展。在各国政府的大力支持下，世界太阳能光伏产业发展迅猛。根据截止到 2006 年的计算[12]： 最近 10 年太阳能电池及组件的年均增长率达 33%， 最近 5 年的年均增长率达 43%。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 4 2007 年世界太阳能电池年产量达到 3733MW， 较 2006 年的 2473.8MW 增长 1259.2MW，增幅高达 50.9%。 截止到 2007 年底， 世界太阳能电池累计装机容量达到 12300MW。 2007年世界太阳能电池产量排名为：日本 920MW ，居第 1 位；中国 821MW ，居第 2 位；德国 810MW，居第 3 位；中国台湾地区 368MW，居第 4 位；美国 266.1MW ，居第 5 位。2007 年世界太阳能电池厂产量的前 3 名为；德国 Q-Cell 为 389.2MW，居第 1 位；日本夏普为 363MW ，居第 2 位；中国无锡尚德为 327MW ，居第 3 位。晶体硅光伏电池技术持续进步，薄膜光伏电池技术加快研发。 主要表现在以下几个方面：（ 1）晶体硅光伏电池效率不断提高。商业化单晶硅电池效率已提高到 16%~20%，商用化多硅电池效率已提高到 15%~18%。（ 2）晶体硅光伏电池硅片厚度持续降低。已从 20 世纪 90 年代的 350~400um，降到目前的 180~280um. （ 3）晶体硅光伏电池生产厂的单厂规模不断扩大。生产规模的不断扩大和自动化程度的持续提高，将使电池的生产成本大为降低。（ 4）薄膜光伏电池研发取得新的进展，并开始积极推进生产线和示范项目的建设。光伏电池和组件的生产本过高是影响太阳能光伏发电进入大规模商业化应用的主要障碍，致使光伏发电的度电成本比火力发电的度电成本竟高达 8~10 倍。几十年来，在技术进步和生产规模扩大等因素的推动与引领下，光伏组件的生产成本大幅底下降，从 20 世纪 60 年代第一个地面用光伏组件售价 1500 美元 /Wp 下降到 300 美元 /Wp，到21 世纪初已下降为 3 美元 /Wp 左右。到 2003 年，世界光伏公司光伏组件的生产成本已降到 2~2.5 美元 /Wp。对于光伏组件和系统未来的降价趋势，国外许多机构做了预测，光伏发电的电价在 2020 年前是有可能降低到与火力发电的电价相竞争的水平。1.5 太阳能追踪系统国内外研究现状在太阳能跟踪方面，我国在 1997 年研制了单轴太阳跟踪器，完成了东西方向的自动跟踪， 虽然南北方向通过手动调节， 但是接收器的接收效率大大提高了。 1998 年美国加州成功的研究了 ATM两轴跟踪器[13]，并在太阳能面板上装有集中阳光的透镜，这样可以使小块的太阳能面板硅收集更多的能量， 使效率进一步提高。 2002 年 2 月美国亚利桑那大学推出了新型太阳能跟踪装置，该装置采用铝型材框架结构，结构紧凑，重量轻，利用控制电机完成跟踪，大大拓宽了跟踪器的应用领域。在国内近年来有不少专家学者也相继开展了这方面的研究， 1992 年推出了太阳灶自动跟踪系统， 1994 年《太阳能》杂志介绍的单轴液压自动跟踪器，完成了单向跟踪。目前[14]， 太阳追踪系统中实现追踪太阳的方法很多， 但是不外乎采用如下两种方式：一种是根据视日运动轨迹追踪 , 另一种是光电追踪方式 , 前者是开环的程控系统， 后者是闭环的随机系统。光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 5 1.6 论文的研究内容本文所介绍的太阳跟踪装置采用了光电闭环跟踪方式， 可实现大范围、 高精度跟踪。论文的主要工作包括 : （ 1）分析太阳运行规律，比较国内外主要的几种跟踪方案，提出合理的跟踪策略。（ 2）分析传感器工作原理，分析该传感器大范围、高精度跟踪的可行性，分析和解决跟踪的稳定性和抗干扰性。（ 3）设计控制方案以及信号采集处理电路（ 4）选取控制芯片，分析系统的硬件需求，设计控制系统。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 6 2 跟踪方案的比较和传感器结构及工作原理介绍2.1 地球绕太阳的运行规律众所周知，地球每天为围绕通过它本身南极和北极的“地轴”自西向东自转一周。每转一周为一昼夜，一昼夜又分为 24h，所以地球每个小时自转 15°。地球除了自转外，还绕太阳循着偏心率很小的椭圆形轨道 ( 黄道 ) 上运行，称为“公转”，其周期为一年。地球的自转轴与公转运行的轨道面 ( 黄道面 ) 法线倾斜成 23° 27′ 的夹角，而且地球公转时其自转轴的方向始终不变， 总是指向天球的北极。 因此， 地球处于运行轨道不同位置时，阳光投射到地球上的方向也就不同，形成地球四季的变化。假设观察者位于地球北半球中纬度地区， 我们可以对太阳在天球上的周年视运动情况做如下描述。每年的春分日 (3 月 12日 ) ，太阳从赤道以南到达赤道 ( 太阳的赤纬占 δ =0° ) ，地球北半球的天文春季开始。 在周日视运动中， 太阳出于正东而没于正西， 白昼和黑夜等长。太阳在正午的高度等于 90° - ( 为观察者当地的地理纬度 ) 。春分过后，太阳的生落点逐日移向北方，白昼时间增长，黑夜时间缩短，正午时太阳的高度逐日增加。夏至日 (6 月 2日 ) ，太阳正午高度达到最大值 90° - +23° 27′ ，白昼最长，这时候地球北半球天文夏季开始。夏至过后，太阳正午高度逐日降低，同时白昼缩短，太阳的升落又趋向正东和正西。秋分日 (9 月 23日 ) ，太阳又从赤道以北到达赤道 ( 太阳的赤纬 δ =0° ) ，地球北半球的天文秋季开始。在周日视运动中，太阳多出于正东而没于正西，白昼和黑夜等长。秋分过后，太阳的生落点逐日移向南方，白昼时间缩短，黑夜时间增长，正午时候太阳的高度逐日降低。冬至日 (12 月 2日 ) ，太阳正午高度达最小值 90° - -23° 27′ ，黑夜最长， 这时地球北半球天文冬季开始。 冬至过后， 太阳正午高度逐日升高， 同时白昼增长，太阳的升落又趋向正东和正西，直到春分日 (3 月 21日 ) 太阳从赤道以南到达赤道 [15] 。2.2 单轴与双轴自动跟踪系统的比较现阶段国内外已经有的跟踪装置的跟踪方式可分为单轴跟踪和双轴跟踪两种。(1) 单轴跟踪机构布置方法一般分为三种：(a) 倾斜布置，东西跟踪：跟踪机构的转轴南北布置，转轴南北倾斜角为所在地的纬度角，东西方向绕转轴匀速跟踪太阳运动。只有春分和秋分两天阳光垂直于太阳能电池板，一年中的其余时间阳光入射角在 - 23.45 °和 + 23.45 °之间变化。(b) 焦线东西水平布置，南北跟踪：跟踪机构的转轴东西水平放置，南北方向跟踪太阳赤纬角作俯仰运动。(c) 焦线南北水平布置，东西跟踪：跟踪系统的转轴南北水平布置，东西方向绕转光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 7 轴作匀速转动跟踪太阳。这三种方式工作原理类似，都是单轴旋转的南北向或东西向跟踪。从太阳能利用率角度分析， (a) 方式最优， (b) 方式最差。单轴跟踪装置结构简单，但入射光线不能始终与太阳能电池板垂直，太阳能的利用效果并不明显 [16] 。图 2-1 单轴焦线东西水平布置（南北跟踪）图 2-1 是第 3种跟踪方式的原理，跟踪系统的转轴 ( 或焦线 ) 东西向布置，根据事先计算的太阳方位的变化，太阳能设备的能量转换部分绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时太阳能接收率最大 ; 而在早上或下午太阳光线都是斜射。单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与太阳能设备的能量转换部分的主光轴平行， 接收太阳能的效果并不理想。(2) 双轴跟踪装置可以分为两种方式 : (a) 极轴式双轴跟踪：跟踪机构的一轴平行于地球的自转轴，指向天球的北极，此轴为极轴；跟踪机构的另外一轴与极轴相垂直，此轴为赤纬轴。其工作原理是：太阳能电池板绕极轴旋转以追踪太阳的时角变化， 其旋转速度与地球自转的角速度大小相等方向相反；绕赤纬轴做俯仰转动以追踪太阳的赤纬角变化。这种跟踪机构并不复杂，但不常采用，原因是太阳能电池板的重量并不通过极轴的轴线，极轴支撑装置在机构的设计上比较困难 [17] 。图 2-2 极轴式跟踪陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 8 (b) 高度角 - 方位角式双轴跟踪：其原理如图 2-3 所示。太阳能设备的能量转换部分的方位轴垂直于地平面，另一根轴与方位轴垂直，称为俯仰轴。工作时太阳能设备的能量转换部分根据太阳的视日运动绕方位轴转动改变方位角， 绕俯仰轴作俯仰运动改变太阳能设备的能量转换部分的倾斜角， 从而使能量转换部分所在平面的主光轴始终与太阳光线平行。这种跟踪系统的特点是跟踪精度高，而且太阳能设备的能量转换部分的重量保持在垂直轴所在的平面内，支承结构的设计比较容易。图 2-3 高度 - 方位角式全跟踪2.3 跟踪方案的选择目前国内外采用的跟踪太阳的方法很多，但也不外乎三种方式 [18] ：（ 1）视日运动轨迹跟踪；（ 2）光电跟踪；（ 3）视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。下面就这三种跟踪方案做一个介绍和比较。2.3.1 视日运动轨迹跟踪对于视日运动轨迹跟踪，不论是采用极轴坐标系统还是地坪坐标系统，太阳运行的位置变化都是可以预测的，通过数学上对太阳轨迹的预测可完成对日跟踪。视日运动轨迹跟踪方式就是通过计算太阳每一时刻的位置来控制机械完成跟踪， 这种跟踪装置在多云天气下仍可正常工作，但是存在累计误差，并且自身不能消除。（ 1） Coper方程太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以占表示。在一年中，太阳赤纬每天都在变化，但不超过士 23° 27′ 的范围。夏天最大变化到夏至日的 +23° 27′ ；冬季最小变化到冬至日的 -23° 27′ 。太阳赤纬随季节变化，按照 Cooper方程 [19] ，(2-1) 式中， n为一年中的天数，如 : 在春分， n=81，则 =0，自春分日起的第 d天的太阳赤纬为 : (2-2) （ 2）太阳角的计算光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 9 图 2-4 太阳角的定义如图 2-4 所示， 指向太阳的向量 与天顶 Z的夹角定义为天顶角， 用 表示； 向量 与地平面的夹角定义为太阳高度角， 用 h表示； 在地面上的投影线与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用 表示。太阳的时角用 表示，它定义为 : 在正午时 =0，每隔一个小时增加 15°，上午为正，下午为负。（ a）太阳高度角 [20]计算太阳高度角的表达式为（ 2-3 ）式中， 为地理纬度； 为太阳赤纬； 为太阳时角。正午时 ， ， ， (2-3) 式可以简化为：因为， ，所以（ 2-4 ）正午时，若太阳在天顶以南，即 ，取从而有（ 2-5 ）在南北回归线内，有时正午时太阳正对天顶，则有 ，从而 h=90°。(b ）太阳方位角太阳方位角按下式计算，(2-6) 也可用下式计算，(2-7) 根据地里纬度，太阳赤纬以及观测时间，利用式 (2-6) 或者式 (2-7) 中的任意一个可陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 10 以求出任何地区，任何季节某一时刻的太阳方位角。(c ）日照时间太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角 h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，可得出日出日没时角表达式(2-8) 式中 - 日出或日没时角，以度表示，正为日没时角 ; 负为日出时角。对于北半球，当 ，解式 (2-8) ，有(2-9) 求出时角 后，日出日没时间用 求出。一天中可能的日照时间由下式给出（ 2-10 ）利用太阳高度角和方位角的数学模型，就可以在固定纬度，固定时段计算出太阳在此条件下的方位。从而可以通过控制使光伏系统朝向太阳位置对其进行有效跟踪，提高系统的发电效率。2.3.2 光电跟踪光电跟踪原理是使用光电传感器作为探测软件， 实时探测太阳位置并将信息送达核心处理芯片进行处理后来完成对太阳位置的探测和跟踪 [21] 。当太阳位置变化时，这些传感器元件会得到不同的输出结果， 根据这样的变化情况就可以知道太阳的变化情况或者知道太阳具体的偏差位置 [22] 。有些系统直接使用太阳能接收器作为传感元件，比如太阳能电池板上的输出增高，说明太阳在这个方向上，则相应电机继续转动下去；反之如果输出降低，说明太阳在相反方向，则控制相应电机反转。这样的系统简单，但是稳定性差，跟踪精度低，跟踪响应慢。其它的系统都是采用单独的光电传感器来检测太阳位置， 这些传感器采用不同的光感元件，有光电二极管、光电三极管、光电池、光敏电阻等 [23] 。其中光电管和光敏电阻都是点元件，仅能判断太阳的大体位方位，无法进行量上的判断，更无法进行精确的跟踪。即使把他们做成面元件也是成本高或者性能差，所以光电池的应用相对较多。光电跟踪方式的优点很多，在国内外受到高度的关注。一方面，这种跟踪方式属于闭环控制方式，可以时刻检测太阳位置，对系统的初始安装精度要求比较低，不会受到累积误差的影响 [24] ；另一方面，这种传感器信号少，运算处理简单，普通的单片机即可完成信号处理及运动控制，使得系统的成本降低 [25] 。虽然光电跟踪方式优点多，但是也存在着致命的缺点，就是跟踪的稳定性问题，这种反馈式的工作方式比较容易受到干扰光的影响，并且受天气的影响也较大。传感器的性能对跟踪系统的影响较大， 如何设计一个既能准确和精确反应太阳光位置又能克服干光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 11 扰的太阳位置光电传感器就成为一个关键问题。图 2-5 光电式跟踪原理框图2.3.3 视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合由上述讨论可知，开环的程序跟踪存在许多局限性。主要是在开始运行前需要精确定位，出现误差后不能自动调整等。因此使用程序跟踪方法时，需要定期的人为调整跟踪装冒的方向。而传感器跟踪也存在响应慢、精度差、稳定性差、某些情况下出现错误跟踪等缺点。特别是多云天气会试图跟踪云层边缘的亮点，电机往复运行，造成了能源的浪费和部件的额外磨损。如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运行轨迹的基础上加了一个基于挡板的四象限光敏电阻探测器。 系统启动后首先进入视日运行轨迹跟踪方式，驱动跟踪装置对准太阳。然后系统读取光敏电阻的电平值判断是否进入光电跟踪方式，如果电平值小于设定阈值表示为阴天，则系统继续在视日运行轨迹方式下跟踪太阳；如果电平值大于设定阈值表示为晴天，则系统切换到光电跟踪方式跟踪太阳。当云把太阳遮住时，系统切换为视日运行轨迹跟踪方式；当云遮过后，系统重复上述过程在两种模式间自动切换。这种跟踪方案跟踪精度高，工作过程稳定，应用于目前许多大型太阳能发电装置。但计算过程十分复杂。高精度角度传感器成本也很高。对于需要降低成本的小型太阳能利用装冒来讲，该种跟踪方式并不十分适用。2.4 两级跟踪传感器的结构及优点2.4.1 两级跟踪传感器的结构本文所采用的控制方式为光电跟踪闭环控制方式。 此次设计在传统一级跟踪的基础上加了四个性能相同的光电池进行粗定位跟踪，四个光电池布置在镜筒外周，其结构示意图如图 2-6 所示。将分布在镜筒外围的四个光电池简称为粗定位光电池，镜筒内部的四象限光电池简称为精定位光电池。陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 12 图 2-6 传感器结构示意图传感器跟踪装置的工作原理就是要使传感器结构的中轴线与太阳光线始终保持平行，以便能使太阳能吸收效率达到最大。传感器跟踪是通过光敏元件的输出，判断太阳跟踪传感器的轴线是否正对太阳，通过太阳跟踪传感器轴线与理想位置的偏差调整驱动装詈的运动状态， 从而调整跟踪传感器的位置使其正对太阳。当传感器轴线未对准太阳时，由于四片粗定位光电池布置在四个不同的方向，光电池受到的辐照度将会产生差异，从而引起电压的差异，差异经电压跟随后输入单片机进行处理， 通过驱动电路驱动电机来调整跟踪传感器的位置， 使其轴线基本上指向太阳，东西方向光电池电压差信号跟踪太阳的方位角， 南北方向光电池电压差信号跟踪太阳的高度角，从而实现对跟踪装置的粗略定位。图 2-7 粗定位光电池布置示意图 图 2-8 精定位光电池布置示意图当光电池的粗定位电路输出在规定的范围内时， 再根据安装的精定位光电池的输出光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 13 进行精确定位控制，其结构示意图如图 3-3 所示，其跟踪原理和四片粗定位光电池的跟踪原理是 - 样的，一、三象限的电压差信号跟踪太阳的方位角，二、四象限的电压差信号跟踪太阳的高度角。当传感器的轴线指向太阳时，无论粗定位光电池，还是精定位光电池，受到的辐照度近似相同，差异为零，驱动电路无动作。2.4.2 两级跟踪传感器的优点两级跟踪方案和传统跟踪方法相比有以下几个优点：（ 1）传统的光电跟踪角度范围受镜筒结构的限制，在早晨太阳升起时，太阳光线与镜筒光轴的夹角超过一定范围，光斑便无法落到镜筒底部四象限光电池上，此时需要人为的进行调节跟踪装置的位置方向才能使其开始工作。而本文所述跟踪方案，在镜筒外围布置四个光电池进行粗定位跟踪，如果遇到当内部光电池无法捕捉到太阳光的情况时，外围的四个光电池也会因为太阳光线与镜筒光轴不平行而产生电压差异，根据产生的电压差异驱动电机转动，直到太阳聚焦光斑落到内部光电池上，内部精定位跟踪便重新再次跟踪，太阳光线与镜筒光轴平行。（ 2）传统光电跟踪装置在出现长时间云遮情况后，会使得聚焦光斑偏离镜筒内光电池，光电池四象限测得的电压小于控制电压 V，跟踪装置将无法跟踪太阳光的位置，控制系统一直处于停止工作状态。这时候就需要对跟踪装置进行手动调节，使聚焦光斑重新落到光电池上，系统才会再次进入跟踪状态。当太阳处于云层边缘时，跟踪装置会误跟踪聚焦光斑，从而使驱动电机来回往复进行跟踪，造成机械磨损和能量消耗。而本文设计的跟踪方案采用镜筒外围的四个光电池的电压之和主测光电池进行光强测量和判断，处理长时间出现云遮或太阳处于云层边缘的情况。当云遮过后，外围的四个光电池重新开始跟踪，直到光斑落到镜筒内部光电池上开始精定位跟踪。该种跟踪方法大大增加了跟踪装置运行的稳定性，当遇到云遮时，系统自主判断后停止跟踪，云遮过后，不需要人工调节，跟踪装置会自主重新进入跟踪状态。（ 3）该种跟踪方案与视日运动轨迹跟踪方案比较，结构简单，价格低廉，设计简便。 因为其传感器装置只采用了两组廉价的光电池传感器， 而且没有太多的复杂的计算，跟踪精度准确。2.5 光电池的选择光电池是利用光伏特效应把光直接转变成电能的器件。所谓光伏特效应就是在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的效应 [26] 。由于它可把太阳能直接变电能 , 因此又称为太阳能电池。 它是基于光伏特效应制成的 , 是发电式有源元件 , 具有较大面积的PN结 , 当光照射在 PN结上时 , 在结的两端出现电动势。 根据半导体的材料不同 , 光电池可分为硒光电池、砷化嫁光电池、硅光电池等。目前 , 应用最广、最有发展前途的是硅光陕西科技大学毕业论文（设计说明书） 14 电池。硒光电池光电转换效率低 (0.02%) 、寿命短 , 适于接收可见光 ( 响应峰值波长 0.56p m), 最适宜制造照度计。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高 , 光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高 , 更耐受宇宙射线的辐射。因此 , 它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。硅光电池价格便宜 , 转换效率高 , 寿命长 , 适于接受红外光。结构原理：光电池实质是一个大面积 PN结，结构如图 2-9 所示，上电极为栅状受光电极，栅状电极下涂有抗反射膜，用以增加透光，减小反射，下电极是一层衬底铝。当光照射 PN结的一个面时， 电子空穴对迅速扩散， 在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势，一般可产生 0.2V～ 0.6V电压， 50mA电流。光照硅光电池的 P区时，在 P区产生电子 - 空穴对，硅光电池表面的电子多，电子 - 空穴对也越多。在内电场的作用下，电子向内扩散，在复合前到达 P-N结过渡区，内电场的作用将这些电子推向 N区。于是光照产生的电子 - 空穴对中的电子流向 N区；空穴则留在 P区，导致 P区带正电， N区带负电，形成电位差。图 2-9 光电池工作原理图光电池的基本参数 [27] : 开路电压 : 当光电池外接电阻为无穷大时 , 电阻上所测得的电压即为开路电压。开路电压与光照度之间呈非线性关系 , 光照度大于 1000lx 时呈现饱和特性。短路电流 : 把光电池 PN结的两端通过外导线短接 , 形成流过外电路的电流 , 该电流称为光电池的输出短路电流 , 其大小与光强成正比。光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度 , 峰值波长在 540nm 附近 , 适宜测可见光。硅光电池应用的范围 400nm-1100nm, 峰值波长在850nm 附近 , 所以硅光电池可以应用在很宽的范围内，根据硅光电池的特点和工作的需要程度 , 我们选用 4 片玻璃封装的硅光电池作为粗定位跟踪传感器 , 其开路电压VOC≥ 450mV。 采用 2CR系列的四象限光电池作为粗定位跟踪传感器 , 其主要参数如下 [28] : 型号 : 2CR 系列 电池总直径 D(mm): φ 25 正电极数目 :4 开路电压 VOC(mV) : ≥ 450 短路电流 IOC( μ A) : ≥ 27 电流分配误差 : ≥ 15光伏发电 系统中自动跟踪太阳光传感器的设计 15 2.6 大范围跟踪的可能性分析2.6.1 光电池电压输出特性如图 2-10 所示 , 当太阳光线与光电池法线夹角为 时 , 光电池输出电动势 : U=K2 φ , 其中 φ 必为光通量 -- 通过截面 S1 的光能量 ,K 为比例常数φ =I 2 S=I2 S02 , 其中 I 为光照度 -- 单位面积上的光通量所以 φ =K2 I 2 S。 2 , 令 U0=K· I ·S。 , 则 U=U02 (-