太陽能發(fā)電系統(tǒng)自動跟蹤裝置設(shè)計-兩邊電池板發(fā)電【含9張CAD圖紙+PDF圖】

喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請放心下載，，有疑問咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 翻譯部分 英文原文 中文翻譯 基于嵌入式控制的太陽能跟蹤器的設(shè)計、制造與性能測設(shè) 摘要 本文介紹了光伏電池板太陽能跟蹤器系統(tǒng)的發(fā)展歷程。該系統(tǒng)由一個基于嵌入式控制的微控制器制作而成。該系統(tǒng)存儲有太陽光線水平方向角度的數(shù)據(jù)，因此不需要傳感器進(jìn)行信號的輸入，是一個典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。以上所提到得特點(diǎn)表明該跟蹤系統(tǒng)是一種主動式的新技術(shù)，也是具有一維自由度的旋轉(zhuǎn)式機(jī)器人。 1、介紹 2000年的時候，來自聯(lián)合國各個國家的領(lǐng)導(dǎo)人對未來的世界進(jìn)行了美好的展望，他們共同提出了八項千年發(fā)展目標(biāo)的雛形。這些目標(biāo)給世界各國提供了發(fā)展的構(gòu)架和時間上的限制，以此來衡量各國所取得的進(jìn)步。 其中第七項目標(biāo)是：確保環(huán)境的可持續(xù)性。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，各國應(yīng)該將可持續(xù)發(fā)展的原則與國家的政策項目相結(jié)合，扭轉(zhuǎn)環(huán)境資源流失的局面。這與控制森林毀壞，臭氧層保護(hù)，二氧化碳排放量的減少等是相關(guān)的。 根據(jù)這一目標(biāo)，并考慮能源枯竭和全球變暖趨勢，建立一個促進(jìn)和提高可持續(xù)能源供應(yīng)系統(tǒng)勢在必行。 為工業(yè)發(fā)展持續(xù)提供能源的良好能源系統(tǒng)必須具備以下特點(diǎn)： ?全年持續(xù)不斷的能量供應(yīng); ?高可靠性，較少的維護(hù)次數(shù); ?低廉的建造和運(yùn)營成本; ?不存在對環(huán)境的影響; ?在規(guī)模和運(yùn)用上的靈活性; ?較高的可觀賞性。 太陽能發(fā)電系統(tǒng)，也稱為光伏（PV）系統(tǒng)滿足了所有的這些特點(diǎn)，這也就是為什么位于南北緯45°范圍內(nèi)——在該范圍內(nèi)太陽能的資源非常的豐富——的國家?guī)缀跞甓荚谑褂锰柲苜Y源，例如圖一所示的墨西哥的太陽能能源。 為了使一天之內(nèi)的太陽能量供應(yīng)幾乎保持不變，必須要使太陽能光伏板的水平方向角在一天之內(nèi)跟隨著太陽的軌跡運(yùn)動，這就需要設(shè)計一個自動太陽能跟蹤系統(tǒng)。太陽能跟蹤器提高了太陽能由熱能轉(zhuǎn)換成電能的轉(zhuǎn)換效率。 本文從太陽能電池板跟蹤器的說明書起草，設(shè)計，制造，集成測試和運(yùn)用的各個階段進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 1.1太陽能電池板 太陽能電池單元（光伏電池）大多數(shù)由單結(jié)晶硅組成，單晶硅片呈長方形，通常四個角被修剪，形成一個不規(guī)則的八面體稱為晶圓。一個單獨(dú)的太陽能電池單元的功率通常在1至2瓦之間。光伏模塊是由光伏電池單元串聯(lián)，放在一個0.5至1平方米的鋁制框架中，該光伏模塊的發(fā)電功率在50至100w之間。 1.2太陽能跟蹤器分類 太陽能跟蹤器主要分為主動式和被動式兩種類型。被動式跟蹤器利用太陽能量加熱低沸點(diǎn)的壓縮氣體，在兩邊太陽光照不同時，利用其熱量不同產(chǎn)生的不平衡壓差來驅(qū)動太陽能電池板轉(zhuǎn)向一側(cè)。主動式跟蹤器使用電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)（馬達(dá)和輪系）來驅(qū)動光伏陣列，該電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)由響應(yīng)太陽光線的角度的控制器控制。 太陽能跟蹤器可能是單軸（主動或被動）或（主動式）雙軸形式。單軸跟蹤器通常會在常年轉(zhuǎn)動的方向軸上安裝有手動高度調(diào)節(jié)裝置。見圖3和圖4所示。 1.3光伏陣列的基本結(jié)構(gòu) 承載光伏陣列的機(jī)械支架一定要保證在強(qiáng)風(fēng)的條件下依舊保持正確的位置。常見的形式是一個垂直支柱連接一個根據(jù)跟蹤器的軸數(shù)確定的光伏陣列支架。 2太陽能跟蹤器的發(fā)展 2.1太陽能跟蹤器的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范 跟蹤器的設(shè)計是基于以下標(biāo)準(zhǔn)： ?成本低; ?易維護(hù); ?模塊化; ?符合技術(shù)規(guī)范; ?易于在不同的位置作出調(diào)整。 根據(jù)相似商業(yè)設(shè)備和光伏陣列實驗設(shè)施得到的技術(shù)規(guī)范如下： ?每日自動跟蹤的水平角度為130°; ?一年的高度角變化范圍為47° ?在120公里/小時的最大風(fēng)速下，依舊可以安全運(yùn)行并且維持原有位置不變; ?在每天運(yùn)行的最少八小時內(nèi)，光伏陣列和太陽光線的累積差異角度不超過10°； ?每天的能量消耗要低于發(fā)電量的5%。 2.2太陽能跟蹤器類型的選擇 根據(jù)以上規(guī)范，并基于太陽能跟蹤器的評價，我們選用無傳感器的主動式開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.3太陽能跟蹤器的一般設(shè)計 圖5所示為跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計組成圖。該系統(tǒng)的核心部分是嵌入式控制系統(tǒng)板——它作為一個軟件程序微控制器（數(shù)據(jù)文件，時間，執(zhí)行器位置和控制信號計算結(jié)果的讀?。硗膺€有實時時鐘和時鐘電池。 控制器對執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號和簧式傳感器反饋的型號作為該信號板的輸入輸出信號。 電源取自光伏陣列，并且使用電池或電容器進(jìn)行能量的補(bǔ)充。 2.4太陽能跟蹤器的軟件設(shè)置 因為在控制硬件里進(jìn)行關(guān)于方向角的三角函數(shù)的運(yùn)算非常困難，所以將太陽在運(yùn)行的八個小時里的每小時移動的角度視為常數(shù)，可以算得這一常數(shù)為15°，將算得的結(jié)果輸入到微控制器的內(nèi)存中。因此，跟蹤器就可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐木暥?，時間和日期算得太陽的位置，并且以此對光伏陣列每十五分鐘進(jìn)行一次角度的調(diào)整（這次期間，太陽的角度變化小于3°）。 2.5光伏陣列的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計 光伏陣列由兩塊太陽能電池板組成，放置在對稱結(jié)構(gòu)的支架上（對稱結(jié)構(gòu)可以使得兩邊重量平衡），在支架的中間位置有一根旋轉(zhuǎn)軸，通過軸的旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)方位角。 2.6方位角算法 圖8所示為太陽從日出到日落時間段內(nèi)的運(yùn)行軌跡，該運(yùn)行軌跡在空間中相對于確定位置和日期的觀察者呈一曲線。 為了確定太陽在某一日期，時間，地點(diǎn)的具體位置，必須首先知道太陽每時刻相對于水平面的高度角或者說是俯仰角，以及太陽的方位角。方位角的測量可以采用從南到西的方向為正（例如順指針方向）。 通過上述的兩個角度和高度，可以確定空間中的任何一個點(diǎn)。如在衛(wèi)星天線安裝，方向角是兩個坐標(biāo)之一，另一個是海拔。 為了確定這些角度，首先要確定赤緯角δ。地球中心與太陽中心的連線與地球赤道平面的夾角稱為赤緯角，赤緯角是一個變量，其計算公式如下： 其中，n為從每年的一月一號算起的天數(shù)。 太陽時角是當(dāng)?shù)卣缗c某具體時間所處的夾角，其具體計算公式如下： H=（12-hour of reference）x 15° 根據(jù)這些數(shù)據(jù)，我們可以計算得到的太陽高度角α： 其中φ為當(dāng)?shù)鼐暥取? 方位角θ為： 然而，當(dāng)?shù)氐牡剌S傾斜度決定了白天和晚上的時間，在一年中這一傾斜度隨著時間的變化而變化，這就是著名的太陽時間。 在太陽時和時鐘顯示的時刻之間有一偏差t，其計算公式如下： 其中，X是偏離角，由下列公式計算： 根據(jù)從本初或者國際子午線算得的經(jīng)度λ，可以計算得到當(dāng)?shù)氐臉?biāo)準(zhǔn)時間。 該地的經(jīng)度由以下公式計算得到： λ=（φ—prime meridian）/15° 墨西哥中央地區(qū)的經(jīng)度為西經(jīng)90°，所以當(dāng)?shù)氐奶枙r為： 為當(dāng)?shù)貢r鐘顯示的時間。 3 制造與集成 這個項目中光伏陣列由兩個組件組成，均為50瓦的額定功率，面積為0.45平方米，重量為52牛頓，即5.2千克，機(jī)械結(jié)構(gòu)由CAD軟件設(shè)計。對于方位角的控制，由一個最大位移為46cm的電動馬達(dá)執(zhí)行，馬達(dá)上安裝有脈沖頻率為11的簧式傳感器。 控制器的選擇需要綜合考慮內(nèi)存的大小，速度，輸入輸出口的數(shù)量，與輸入的電壓的大小，在此我們選用PIC16F877A作為控制器。 電子板的設(shè)計包括軟件程序，微控制器代碼的仿真。 將電動執(zhí)行機(jī)構(gòu)集成在已經(jīng)制作好的機(jī)械結(jié)構(gòu)上，并且進(jìn)行了方位角自由運(yùn)動的測試。 同時跟蹤器的電子控制線路也已經(jīng)制作完成，并進(jìn)行了性能的測試。 4性能測試和試驗結(jié)果 我們進(jìn)行了以下數(shù)據(jù)的測量，得到了需要的數(shù)據(jù)： 1. 一天內(nèi)的跟蹤精度； 2. 跟蹤系統(tǒng)的能耗； 3. 跟蹤后產(chǎn)生電能的增量。 為了測試跟蹤精度，在一張紙上畫上了一系列的同心圓，并在圓心處固定主軸。 從圖11中我們可以看到，在跟蹤時間段內(nèi)的角度誤差始終限制在準(zhǔn)則的技術(shù)要求內(nèi)（小于5°）。在16點(diǎn)之后角度誤差的增大，是因為此時跟蹤器停止工作，控制器控制電池板返回到第二天開始工作的起始方位。 測量跟蹤器的能耗的一種方法是估算電動馬達(dá)的電壓和電流值。 為了測算跟蹤式太陽能光伏板比固定式光伏板多產(chǎn)生的能量，可以將一個常阻值電阻器連接到發(fā)電器的終端，然后測量電阻上的電壓和電流值，根據(jù)測出的數(shù)據(jù)便可以計算出跟蹤式光伏板多產(chǎn)生的能量。 圖12所示為跟蹤式光伏陣列和固定式光伏陣列產(chǎn)生的能量曲線，曲線的高度差表示能量的增加量。這個結(jié)果非常的重要，也是我們所希望的結(jié)果。 圖12所示在17點(diǎn)的時候，跟蹤式和固定式太陽能發(fā)電裝置所發(fā)電量相同，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在上文已經(jīng)得到解釋，就是因為16點(diǎn)的時候跟蹤器停止跟蹤，并且返回到初始位置。此時跟蹤器不再運(yùn)動，所以也沒有能量的消耗。 5結(jié)論和致謝 太陽能跟蹤器的設(shè)計，制造和測試表明其有很多商業(yè)價值的優(yōu)點(diǎn)——便攜性，不同地點(diǎn)的可編程性，較少的組成部分和高可靠性?？梢栽谔柲芨櫰魃习惭b更多的功能，例如檢測模塊（在學(xué)術(shù)或研究機(jī)構(gòu)中很受歡迎）。將太陽光伏陣列跟蹤器的低成本微控制器與之前計算得到的太陽位置文件數(shù)據(jù)相結(jié)合的控制器很不常見，我們沒有找到任何關(guān)于此的參考文獻(xiàn)。 該跟蹤系統(tǒng)也表現(xiàn)出了一些優(yōu)于閉環(huán)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)： 1. 該跟蹤系統(tǒng)并沒有受到電池板安裝地理位置的限制，因為在白天工作時間段里，它是追蹤方向角上最大的太陽能照射。不過電池板的高度角需要通過手工來進(jìn)行調(diào)節(jié)。 2. 跟蹤器不會受到由于雨水，云彩，煙霧等引起的光線折射導(dǎo)致的暫時的不穩(wěn)定。因此，該系統(tǒng)會時時給出太陽的正確位置，并且控制電池板根據(jù)太陽位置來運(yùn)動。