太阳能电池太阳追踪器的设计.docx

太阳能电池太阳追踪器的设计 1 太阳能电池光伏系统 太阳能发电是改善生态环境、提高人类生存质量的绿色能源之一。关于太阳能发电的技术的研究非常重要。如何提高太阳能电池光电转换率则是光伏发电能否推广应用的根本所在。 太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源,与常规能源有本质上的区别。这就对太阳能的收集与利用提出了更高的要求。提高太阳能电池光伏电池最大功率,可以从太阳能电池的材质上入手,或从逆变电源设计上入手;另一途径是让太阳能电池跟着阳光旋转,使太阳能电池与阳光入射角保持垂直,以达到光能最大获取率。这要依靠太阳跟踪器来实现。太阳跟踪器,故名思意,基本功能就是使光伏阵列随着太阳而转动。太阳能跟踪器根据结构和控制原理不同有单轴控制和双轴控制。一般双轴系统可提高发电量35 %左右,单轴系统可提高20 %左右,聚光型跟踪系统会更高。本文主要阐述一种双轴太阳跟踪器的设计方案。 2 踪器结构组成 太阳跟踪器须在露天下工作,因此必须考虑到结构的稳定性,运动结构必须可以自锁,因此选择滑动螺旋副和蜗轮蜗杆传动。 大阳跟踪器结构,如图1所示。 电机1驱动蜗杆运动,从而带动蜗轮旋转,蜗轮带动立轴旋转,实现跟踪太阳在经度上的位置变化。电机2驱动丝杠,丝杠与螺母产生相对运动,从而推动太阳能电池板围绕轴1旋转,实现跟踪太阳在纬度上的位置变化。传感器不断将太阳的位置信号送到控制器,再由控制器发出信号驱动2个电动机,调整太阳能电池板的姿态,使得太阳能电池板始终垂直于太阳光线。 3 被光照照射的光敏电阻的测量 在太阳跟踪器中,传感器用来感测太阳的位置或感测太阳光线的入射角度。传感器的精度很大程度上决定了太阳跟踪器的精度。本设计中,采用2个传感器,一个高精度传感器,一个大角度传感器。 1)高精度传感器 将9个光敏电阻在同一平面上组成阵列,并分别编号,如图2所示。 将这个光敏电阻阵列置于一个顶端开有一个小孔的封闭壳体中,小孔的直径等于光敏电阻的直径,如图3所示。 当光线垂直于阵面照射时,光线照射在9号光敏电阻上;当光线不垂直时,可能照射在1到8号电阻上。由被光线照射的光敏电阻编号可确定光源的方向。由于光敏电阻的阻值与光照强度有关,所以可通过测量光敏电阻阻值,确定被光线照射的电阻。在阳光下照射到光敏电阻的光并非一条线,而是一个光柱,此光柱可能同时照射到2个光敏电阻,这时可认为受光面积大的光敏电阻为被照射电阻。 设光线在光敏电阻阵列上的照射点到9号光敏电阻中心的距离为D,小孔到光敏电阻阵面的距离为H,光线与垂直入射线夹角为β,则tanβ=D/H。根据正弦三角关系,当距离D固定时,H越大,β越小,精确度越高。所以在光敏电阻直径一定时,只要将壳体长度加长就可以得到足够高的精度。 在壳体很长的情况下,如果光线入射角很大将会带来一个问题,如图4所示。 入射角很大时,光线将不能直接照射在光敏电阻上,从而无法判断光源的位置。因此还需要一个传感器来识别大入射角时的光源方向。 2)大角度传感器 大角度传感器外型设计成凸台型,每个编号处安装一个光敏电阻,如图5所示。当光线垂直入射时,如图6所示。由于两边的光敏电阻有倾斜角度,受光面积比中间的电阻小,此时中间的光敏电阻阻值最小。当光线倾斜入射时,如图7所示。左边的光敏电阻受光面积大,因此它的阻值小。通过测量光敏电阻的阻值,可以判断光源的大概方位。为了提高精度,可以在中间的光敏电阻上套一个遮光管,如图8所示。 当光线倾斜入射时,遮光管可以遮挡住照射在中间光敏电阻上的光线;当光线垂直入射时,遮光管不会遮挡照射在中间光敏电阻上的光线。因此如果让中间光敏电阻的阻值最小,则入射光线须以接近垂直的角度照射,从而提高了传感器的精度。 4 跟踪器的调整 控制器先读取大角度传感器信号。当大角度传感器的1号,2号或3号光敏电阻阻值最小时,说明光线从上面照射,光源的位置在上方,控制器驱动图1中的电机2,减小俯仰角;当大角度传感器的6号,7号或8号光敏电阻阻值最小时,增加俯仰角。当大角度传感器的1号,4号或6号光敏电阻的阻值最小时,控制器驱动电机1向左旋转;当大角度传感器的3号,5号或6号光敏电阻阻值最小时,控制器驱动电机1向右旋转。如果1号,3号,6号或者8号阻值最小,则电机1和电机2可同时旋转。当角度调整到位后,9号光敏电阻阻值最小。控制器检测到大角度传感器9号光敏电阻的阻值最小,读取高精度传感器的信号,如高精度传感器的9号光敏电阻阻值最小,说明调整到位。因光照角度误差为1度时,光照面积误差小于0.02%,这点能量损失与驱动电机的能量相比可忽略,所以跟踪器调整到位后,可保持一段时间不动。若高精度传感器的1～8号光敏电阻中某一个阻值最小,则控制器驱动电机1或电机2旋转,驱动过程类似于大角度传感器有信号时的驱动情况。 传感器中受光照最强的电阻(即阻值最小