聚光型光伏發(fā)電的太陽(yáng)能定位和跟蹤系統(tǒng)

摘要：在資源緊缺的今天，太陽(yáng)能以它恒定的來(lái)源和高強(qiáng)的輻射能量，日漸成為資源利用的首要選擇。聚光型光伏發(fā)電的基本原理是采用帶有菲尼爾透鏡的太陽(yáng)能電池板，利用圖像采集傳感器，拍攝參照物的太陽(yáng)影子長(zhǎng)度，并以與垂直投影做出的比較測(cè)出太陽(yáng)的偏轉(zhuǎn)角度，通過(guò)高速控制芯片，根據(jù)對(duì)采集信息的分析，控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能電池板的偏轉(zhuǎn)角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的定位和跟蹤，從而實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的高效采集。
關(guān)鍵詞：聚光型；光伏發(fā)電；跟蹤；定位；高效

1 設(shè)計(jì)思路
目前我國(guó)的太陽(yáng)能利用率處于較低水平，主要原因是太陽(yáng)能密度低，照射到地面上的平均光強(qiáng)只有1 kW／m2，并且隨著季節(jié)和天氣因素的變化，更增強(qiáng)了太陽(yáng)能利用的難度；我國(guó)現(xiàn)有的太陽(yáng)能電池板的發(fā)展水平也限制了太陽(yáng)能的利用率，目前，單晶體硅的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到23％，多晶體硅可以達(dá)到16％，而薄膜的只能達(dá)到8％。這具有挑戰(zhàn)性的難題是這次太陽(yáng)能定位和跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)。
為了克服太陽(yáng)能量密度低的劣勢(shì)，我們采用了帶有定位與跟蹤功能的太陽(yáng)能電池板支架，利用電機(jī)傳動(dòng)帶動(dòng)電池板的兩個(gè)自由度的旋轉(zhuǎn)，盡量使每個(gè)時(shí)刻電池板都能垂直接收太陽(yáng)能。跟蹤功能的實(shí)現(xiàn)根本是定位，我們使用分辨率為640×320的CCD圖像采集傳感器，以至少0．2 s／幅的速度來(lái)拍攝參考物的太陽(yáng)影子長(zhǎng)度并與參考物的垂直投影作比較，精確地測(cè)量出當(dāng)前太陽(yáng)的偏轉(zhuǎn)角度；通過(guò)高速的控制芯片，將得到的角度進(jìn)行采集與處理，得到相應(yīng)的控制角度與位移量。這樣，定位的目的實(shí)現(xiàn)了，跟蹤的效率自然就會(huì)大大提高。使用精度為1／10 000度的伺服電機(jī)與高精度渦輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使太陽(yáng)能支架能自如的旋轉(zhuǎn)，以最高的效率接受太陽(yáng)能。

2 支架設(shè)計(jì)部分
在設(shè)計(jì)太陽(yáng)能電池板支架的過(guò)程中，不僅要考慮到材料自身重量和慣性的因素，還要考慮到投入應(yīng)用后，實(shí)際的自然條件的因素。大風(fēng)是不可忽略的一個(gè)重要自然現(xiàn)象，在世界各個(gè)國(guó)家各個(gè)城市，全年都會(huì)刮起不同風(fēng)速等級(jí)的大風(fēng)。這就要求支架足夠堅(jiān)固，固定太陽(yáng)能電池板的軸承足夠穩(wěn)定，足以承受大風(fēng)所帶來(lái)的力的作用。

為此，設(shè)計(jì)中把支架和電池板的連接處設(shè)計(jì)成如圖1所示。即在電池板的距離較長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)兩側(cè)中央安裝軸承，帶動(dòng)電池板做上下方向的旋轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計(jì)使“點(diǎn)接觸”擴(kuò)大到“線接觸”。又由于太陽(yáng)能電池板的重量平均分布在中軸的兩側(cè)，因此大風(fēng)對(duì)電機(jī)的影響會(huì)降到最低，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，風(fēng)也會(huì)由于平均作用在了電池板的兩側(cè)而減少電池板的形變。
太陽(yáng)能電池板左右方向的旋轉(zhuǎn)由下面箱體中的伺服電機(jī)控制，如圖2所示。角鋼支架與電動(dòng)機(jī)的連接也采用鋼管與軸承的連接方式。鋼管橫截面與角鋼支架水平焊接，鋼管的直徑與壁厚根據(jù)電池板，支架，電機(jī)，軸承的總重量而定，以穩(wěn)定性好為原則。

控制左右方向旋轉(zhuǎn)與上下方向旋轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)都密封在箱體里，主要考慮到雨雪天氣里金屬的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)不會(huì)有損害。