聚光型光伏發(fā)電的太陽能定位和跟蹤系統(tǒng)

摘要：在資源緊缺的今天，太陽能以它恒定的來源和高強的輻射能量，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能電池板，利用圖像采集傳感器，拍攝參照物的太陽影子長度，并以與垂直投影做出的比較測出太陽的偏轉(zhuǎn)角度，通過高速控制芯片，根據(jù)對采集信息的分析，控制傳動機構(gòu)調(diào)節(jié)太陽能電池板的偏轉(zhuǎn)角度，實現(xiàn)對太陽的定位和跟蹤，從而實現(xiàn)太陽能的高效采集。
關(guān)鍵詞：聚光型；光伏發(fā)電；跟蹤；定位；高效

1 設(shè)計思路
目前我國的太陽能利用率處于較低水平，主要原因是太陽能密度低，照射到地面上的平均光強只有1 kW／m2，并且隨著季節(jié)和天氣因素的變化，更增強了太陽能利用的難度；我國現(xiàn)有的太陽能電池板的發(fā)展水平也限制了太陽能的利用率，目前，單晶體硅的太陽能轉(zhuǎn)化率可以達到23％，多晶體硅可以達到16％，而薄膜的只能達到8％。這具有挑戰(zhàn)性的難題是這次太陽能定位和跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的出發(fā)點。
為了克服太陽能量密度低的劣勢，我們采用了帶有定位與跟蹤功能的太陽能電池板支架，利用電機傳動帶動電池板的兩個自由度的旋轉(zhuǎn)，盡量使每個時刻電池板都能垂直接收太陽能。跟蹤功能的實現(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／幅的速度來拍攝參考物的太陽影子長度并與參考物的垂直投影作比較，精確地測量出當前太陽的偏轉(zhuǎn)角度；通過高速的控制芯片，將得到的角度進行采集與處理，得到相應的控制角度與位移量。這樣，定位的目的實現(xiàn)了，跟蹤的效率自然就會大大提高。使用精度為1／10 000度的伺服電機與高精度渦輪蝸桿傳動機構(gòu)，使太陽能支架能自如的旋轉(zhuǎn)，以最高的效率接受太陽能。

2 支架設(shè)計部分
在設(shè)計太陽能電池板支架的過程中，不僅要考慮到材料自身重量和慣性的因素，還要考慮到投入應用后，實際的自然條件的因素。大風是不可忽略的一個重要自然現(xiàn)象，在世界各個國家各個城市，全年都會刮起不同風速等級的大風。這就要求支架足夠堅固，固定太陽能電池板的軸承足夠穩(wěn)定，足以承受大風所帶來的力的作用。

為此，設(shè)計中把支架和電池板的連接處設(shè)計成如圖1所示。即在電池板的距離較長的對應兩側(cè)中央安裝軸承，帶動電池板做上下方向的旋轉(zhuǎn)。這樣的設(shè)計使“點接觸”擴大到“線接觸”。又由于太陽能電池板的重量平均分布在中軸的兩側(cè)，因此大風對電機的影響會降到最低，在旋轉(zhuǎn)過程中，風也會由于平均作用在了電池板的兩側(cè)而減少電池板的形變。
太陽能電池板左右方向的旋轉(zhuǎn)由下面箱體中的伺服電機控制，如圖2所示。角鋼支架與電動機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，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)的伺服電機都密封在箱體里，主要考慮到雨雪天氣里金屬的傳動機構(gòu)不會有損害。