太阳能自动跟踪（精选10篇）
太阳能自动跟踪 篇1
1 引言
太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 已经和风能成为各国竞相开发的绿色能源。但太阳能存在着密度低、间歇性、光照方向和强度随时间不断变化的问题, 如能始终保持太阳板和光照方向垂直, 使其最大化地接收太阳能, 则能充分利用太阳能资源。因此, 设计开发全自动太阳能跟踪系统, 是非常有价值的研究课题。太阳能追踪系统能增加光伏模块接收的太阳能, 能提高日用功率和年输出功率, 从而有效地降低成本。太阳能追踪系统有单轴系统和双轴机械跟踪定位系统, 单轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加25%的功率输出, 而双轴太阳能追踪系统比固定式系统能增加41%的功率输出;单轴系统只能自东向西追踪太阳, 而双轴系统能在自东向西追踪太阳的同时, 使太阳能板倾斜从而跟踪太阳的高度变化。
2 系统总体设计
本系统是基于西门子LOGO!为核心的控制模块, 该系列PLC具有灵活的硬件接口和丰富的功能资源, 可以方便实现与PC机、步进电机驱动器通讯连接;上位机采用西门子的Wincc, 可以无限的增加通信模块。系统具有三种工作模式, 分别是视日追踪、光电追踪和原点回归模式。视日追踪模式是Wincc实时计算太阳的方位角及高度角, LOGO!通过时间间断采集信号从而控制电机动作;光电追踪模式是LOGO!通过采集四象限探测器的信号, 内部进行比较, 从而控制电机的转动;原点回归模式是当太阳处于地平线以下时, 太阳能板回到15°的位置, 减少夜间凝结水。
系统的传感器模块采用独特的设计, 具有结构简单, 使用方便的特点, 其中压力传感器、风速传感器、光敏传感器都是自己设计的, 设计中将压力、风速、光强等信号转化为相应的高低电平信号传输给LOGO!而四象限光强传感器也是按照系统的需要独特设计的, 减少了很多不必要的功能和程序的复杂程度。
系统的上位机在登陆后需要对当地的经度和纬度的设置, 上位机通过时间、日期以及当地的经纬度来计算太阳的高度角及方位角, 并能够将太阳的高度角和方位角实时的以曲线的形式显示出来。系统设置的有手动模式, 在系统出现故障时可以通过手动模式对装置位置进行修改, 达到预期的效果。当系统出现故障时, 上位机能够及时的报警通知工作人员, 并将报警记录保存起来。
系统跟踪器开机后检测、判断此时是否是白天, 如果是白天系统进入自动跟踪模式, 系统自动对天气状况进行判断, 如果是晴天的情况下, 系统通过上位机获取当地时间和经纬度, 从而计算出太阳光的高度角和方位角是否发生变化 (系统设定每20分钟检测一次) , 然后通过控制电机进行调整。如果是阴天的情况下, 系统通过四象限光强探测器采集的一三和二四象限的电压差控制电机进行调整, 如果是夜晚系统处于待机状态, 等待日出。
3 系统硬件设计
3.1 核心控制器设计
CPU采用西门子的LOGO!12/24 RCE 8入4出其中4个输入可用作模拟量
LOGO!PLC具有以下优势:
(1) 较大的存储容量能容130个线路程序功能块方便实现更大的应用项目。
(2) 集成了36个功能块, 减少了不必要的设备。
(3) 具有灵活的扩展功能, 最大配置可达到:24DI, 16DO, 8AI, 2AO;
(4) 自动转换冬令时/夏令时, 减少维护费用。
(5) 信息文本、实际值和设定值显示, 操作者可直接在显示器上进行参数的修改 (此模块不能作经济型模块应用) , 又节省了单独显示的单元需求。
LOGO!硬件接线图如图1所示。
3.2 传感器模块的设计
3.2.1 光敏传感器的设计
鉴于各种传感器的特点, 为了得到精度较高的传感器, 我设计了一种简单实用传感器。其设计如图2所示。
在本课题中, 光敏传感器需要的是对晴天和阴天的判别, 传统的传感器需要与PLC进行协议链接, 并且需要对所获得的的数据进行处理, 需要较多的程序处理和占用端口, 结合系统对光敏传感器的要求, 设计了此种传感器。R3、R4为1KΩ的电阻, R11为10KΩ的电阻, R1为可调电阻, 开始时测试并设定好参数, 初始状态处于阴晴临界值 (默认为阴天) , 当光照变强, 电阻变小。运放有输出, 三极管导通, LOGO!输入端有高电平信号。
3.2.2 风速传感器的设计
对风速的检测只是为了风速是否达到限制, 对风速的具体大小和方向都没有要求, 所以只需要检测风速达到限制能给控制器一个信号, 则其设计如图3所示。
此电机为发电机, 当我们的测定好各个电阻的参数, 然后安装, 当电机产生的电流大于我们设定的电流时, 其将会有输出, 三极管导通。控制器上有输入。
3.2.3 压力传感器的设计
当检测到板子压力超限, 将会有输出。其相关的电路仿真如图4所示, RV1随着板子压力的改变而变化, 当板子的压力越大时, u3输出为0, 此时运放LM157输出为高电平, 此时将信号传送给LOGO!, 从而执行相应的指令。R13、R14、R15、R16需要在根据实际情况设计大小。
3.3 四象限探测器模块设计
在高度角和方位角跟踪时, 分别利用两只光敏电池作为太阳位置的敏感元件, 分别将4只光敏电池安装在一个透光的玻璃试管中, 每对光敏电池用隔板隔开, 放在隔板的对称两侧。当电池板正对太阳时, 太阳光与隔板平行, 相互对应的两只光敏电池的获得相同的感光量, 从而输出的电压相同。当太阳光发生一定的偏移后, 隔板的阴影就会偏向于其中的一个光敏电池上, 此时两个光敏电池的感光量会发生明显的偏差, 从而导致输出的电压不相等。当光斑偏离主光轴时, 一三、二四象限会产生一定为压差, 系统通过产生的压差判断高度角电机、方位角电机的转动方向和转动角度, 从而使光斑向主光轴靠近, 实现精确定位。传感器原理图如图5所示。传感器检测到的信号是四个象限的电压, 当太阳光移动时, 各象限会产生一定的电压, 电压经过电阻采样后, 送入差分放大电路经过放大后送入LOGO!。
4 系统软件设计
跟踪模式完全由软件的判断, 有较高的灵活度, 通过对不同的气候和不同的地区进行调整, 达到提高光伏发电效率的目的。系统需要增加光强传感器、压力传感器、光强传感器和风力传感器等多种传感装置对系统进行保护, 当气候发生较大的变化并对装置造成一定的威胁时, 传感器会发出一定的信息, 系统通过信息分析采取相应的保护措施。跟踪装置有高度角和方位角两个调整方向, 控制机构通过高度角机和方位角机对这两个方向进行调整。为了防止电机发生越位现象, 跟踪装置安装了限位开关, 当电池板超出限位时, 系统会自动切断脉冲输出使电机停止动作, 从而达到保护系统的硬件的作用。图6为视日运动流程图, 图7为光强跟踪下的运行方式。
5 结论
本文系统介绍了基于LOGO!和wincc的太阳能自动跟踪系统的设计, 包括跟踪方案的理论研讨, 硬件模块的选型和参数介绍。采用视日运动和光强跟踪相结合的自适应智能跟踪方法, 通过时间、日期以及当地的经纬度来计算太阳的高度角及方位角, 全自动准确跟踪太阳的位置, 最大限度的接收太阳能, 提高了太阳能光电装换效率, 比固定式至少提高发电量25%。
参考文献
[1]王雪文.太阳能电池板自动跟踪控制系统设计[J].西北大学学报 (自然科学版) , 2004, 34 (2) :163-164.
[2]陈浩.图解西门子LOGO!应用技术[M].北京:中国电力出版社, 2008.
[3]吕文华, 贺晓雷, 于贺军等.全自动太阳跟踪器的研制和应用[J].光学精密工程, 2008, 16 (12) .
[4]王淼, 王保利, 焦翠坪.太阳能跟踪系统设计[J].电气技术, 2009 (04) :015.
[5]Soteris Kaloglrou.The Potential of solar industrial Process heat applications[J], Aplied Energy, 2003, 337-361.
太阳能自动跟踪 篇2
关键词：太阳能；自动跟踪；步进电机细分驱动；跟踪精度
能源短缺问题是目前许多国家面临的重要问题，太阳能作为一种清洁无污染的能源，有着巨大的开发前景。我国是一个太阳能资源较为丰富的国家，充分利用太阳能资源，有着深远的能源战略意义。利用太阳能的关键是提高太阳能电池板采集太阳能的效率，太阳能电池板接受太阳光的直射，由此得到太阳最大光照强度，从而最大限度的采集太阳能，目前太阳能电池板普遍采用半自动单轴跟踪方式[1][2][3]和电池板固定朝南安装的方式[4]。这些方法存在的缺点是：转换效率较低、跟踪适应能力弱、跟踪精度低。本文根据太阳运行规律，结合光电传感器设计太阳能自动跟跟系统。设计硬件和软件控制流程，深入地分析比较步进电机一般驱动和细分驱动对太阳能自动跟踪精度的影响。该系统跟踪能双轴跟踪，精度高，适应性强，有望在光伏发电中使用。
1 太阳能自动跟踪系统的设计
1.1 太阳运行规律
为了提高太阳能电池板对光能的采集效率，需要尽可能的保持太阳光垂直照射到太阳能电池板上。从高度角方位角两个物理量是可以描述太阳的这种位置变化的[5]，太阳能电池板对高度角和方位角的跟踪就能保证阳光垂直照射电池板，但是在一般情况下还需要光电传感器反馈来对跟踪的误差进行修正，以提高自动跟踪的精度。
太阳高度角α
sinα=sin?准sin?啄+cos?准cos?啄cos?棕(1)
太阳方位角γ
sinγ=(2)
式中：φ是当地纬度，δ是太阳赤纬角，ω是太阳时角太阳赤纬：
?啄=23.45sin()(3)
式中：n是积日，一月一日为1，一月二日为2，……太阳时角
ω=15(12-t)(4)
式中：t是一天当中的时刻。
由式(1)-(4)可计算出太阳高度角和方位角，以此进行两个角度的双轴跟踪，来实现太阳能自动跟踪。
1.2 系统总体设计
太阳能自动跟踪系统的总体结构框图如图1所示。整个系统分为六个部分：时钟模块，初始位置校验，单片机模块，驱动模块，光电检测模块和太阳能电池板。单片机是整个跟踪系统的核心，负责运算和控制。时钟模块主要把全年每天的时间提供给单片机。驱动模块包括光电隔离、步进电机驱动和步进电机，为了消除干扰，单片机和步进电机驱动之间需要加隔离；由于是在高度角和方位角两个方向上进行双轴跟踪，因此需要两个相同的驱动模块。传感器模块包括四象限探测器、信号处理电路和A/D转换电路。太阳光线垂直照射四象限探测器时，它四个象限的输出电流等；
当发生偏移时，四个象限的电流不等，通过四象限探测器的这种特点检测太阳光是否直射太阳能电池板。信号处理电路负责信号采集放大，把电流信号转化为相应的电压量并放大后，通过A/D后送入单片机运算分析并发出控制信号给步进电机。
1.3 硬件设计
系统的控制核心采用的单片机是AT89S51；时钟芯片是DS1302；日出初始位置校验需要使用微动开关，系统使用三洲集团乐拉电器厂的 LXW5-11G2。
光电检测部分：(1)四象限探测器具有低暗电流，高可靠性、高均匀性、高对称性，盲区小的优点，系统采用的四象限探测器为Pacific Silicon Sensor的QP20-6TO8S。四象限探测器示意图如图2所示，器件是反向偏置的半导体二极管阵列，其工作原理是：当太阳光垂直照射器件各个象限时，各个象限输出的光电流ia、ib、ic、id相等；而当目标发生偏移时，各个象限的输出光电流不等，光电流经信号变换及放大后变为相应的电压量，太阳运动的两个偏移量由式(5)[6]算出，由此可测出太阳的方位，从而起到跟踪的作用。四象限探测器能在东西方向(方位角方向)和南北方向(高度角方向)上进行双轴跟踪。并且通过四个象限的电流和还可以进行阴晴天的判断，晴天时，太阳光线强，所产生的电流大，阴天时产生的电流小，因此确定一个阈值就能判断天气，经实验后得这个阈值为1.12V。(2)测量四象限探测器其中一个象限所用的光电探测电路如图3所示，每个象限都使用完全相同的光电探测电路。电阻把光电二极管输出的光电流转换为电压信号，运放将这个压信号作适当的放大，四象限光电探测器所产生的阻抗电流，其值一般为mA级[7]，经试验后知需要放大的倍数为2倍。(3)转换器采用的是ADC0809，它是8位逐次逼近式A/D转换器，其内部有一个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号，只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换，是目前国内应用最广泛的8位通用A/D芯片。
Δx=(5)
Δy=(6)
驱动模块在2.2中会详细介绍。
1.4 软件设计
软件流程图如4所示。系统初次使用时进入时钟芯片的初始化，中断的初始化设置。刚日出时，进行初始位置校验，即单片机发出信号控制电池板由头一天运动的反方向旋转，直至碰到限位开关后停止，此时的位置作为初始位置，初始位置太阳能电池板的高度角方位角是确定的。此后由时钟提供的日出日落时间，和单片机储存的事先计算好的日出日落时间比较，若在日出后日落前，传感器电路由此时的光照强度判断是否为晴天，若为晴天，进行时钟跟踪，即把单片机里事先存储的太阳高度角方位角数据与上一次(每天日出时的为初始位置)的高度角方位角比较得出角度差值，转化成脉冲数后单片机控制步进电机转过相应的角度，这以后使用传感器电路检测阳光是否垂直照射电池板，若没有，则把信号发送给单片机进行处理，再使电机带动电池板旋转；若为阴天，则只进行时钟跟踪。一次跟踪完成后，等待1.5分钟，进行下一次的跟踪，如此反复进行。
2 步进电机的驱动
步进电机的驱动方法可分为细分驱动和非细分驱动。细分驱动就是把步进电机的步距角细化，使步距角分辨率提高；在非细分驱动中，步进电机的步距角只有整步和半步两种。
2.1 步进电机细分驱动的原理
在步进电机非细分驱动电路中，各相绕组的电流只有零和某一额定值两种状态，相应的各绕组产生的磁场也是只有零和某一额定值两种状态。控制定子绕组中的电流变化，使合成磁势以微步距转动，可实现对步进电机原有步距角细分，使转子以较小的步距增量旋转，提高步进分辨率。细分控制的基本思想是在每次输入脉冲切换时，只改变相应绕组中额定电流的一部分[8]，这样步进电机的合成磁势也只旋转步距角的一部分，从而使转子每步运行角度也只是步距角的一部分。
式6为两相混合式步进电机细分的数学模型
ia=insin(s)ib=incos(s)(6)
式中：ia是A相电流，ib是B相电流，in是额定电流，n是细分数，s是步数
为了实现恒力矩驱动，并保持力矩输出为最大值，相电流的变化取三角函数关系。
两相混合式步进电机4细分电流状态图如图5所示。可以看出，初始时A相电流ia=0，B相通额定电流in；第一步时，A相电流ia=insin(22.5°)=0.38in，B相电流ib=incos(22.5°)=0.92in；第二步时，ia=0.71in，ib=0.71in，……
2.2 步进电机细分驱动的实现
文中设计的太阳能自动跟踪系统的步进电机细分驱动采用THB6064H来实现，采用两相混合式步进电机，其整步步距角是1.8°/步，半步是0.9°/步。THB6064H是一个PWM斩波式正弦波微步步进电机驱动器。它内部集成了细分、衰减模式设置、电路调节、CMOS功率放大等电路。其主要参数和性能指标如下：
(1)单芯片两相正弦细分步进电机驱动。
(2)采用高耐压BiCD工艺。
(3)可实现正反转控制。
(4)可选择细分控制(1/2，1/8，1/10，1/16，1/20，1/32，1/40，1/64 )。
(5)高输出耐压。
(6)高输出电流。
(7)有输出监视管脚。
(8)芯片内部有过热保护和过流检测电路。
单片机与步进电机细分驱动连接电路如图6。单片机P0.2端发出高电平信号经过光电隔离芯片TLP521，使能端EN变为高电平，芯片开始工作；CW/CWW端为步进电机正反转控制端，用高低电平控制；CLK端为脉冲输入端。拨码开关确定细分数后，步进电机细分后的步距角也随之确定，需要步进电机转多大角度，只需转换为脉冲数后通过P0.1向CLK端发送脉冲即可，为了避免步进电机过冲，而且在太阳能自动跟踪系统中使用，也不必过快旋转，所以脉冲频率不能太高。用THB6064H芯片设计的步进电机细分驱动电路的外围电路简单，可靠性高，并且与单片机的连线只有三根。
3 步进电机驱动方法对太阳能自动跟踪精度影响的研究
在太阳能自动跟踪系统中，每一个模块对跟踪精度都有影响，本文重点研究步进电机驱动方法对跟踪精度的影响，必须使其他因素理想化，排除它们对跟踪系统精度的影响，采用仿真进行研究。
以南宁市夏至日高度角跟踪为例，日出时间为当地真太阳时5时14分，日落时间为当地真太阳时18时46分。
3.1 自动跟踪未采用细分驱动
对南宁市夏至日高度角数据进行研究后发现，间隔时间为4.5分钟时，太阳高度角的变化大约为0.9°，所以在不采用细分驱动时太阳能电池板在高度角上的调整至少需要间隔4.5分钟。
间隔4.5分钟，无细分高度角跟踪图如图7所示。图中的阶梯波形曲线为高度角跟踪曲线，另一条曲线为实际的南宁市夏至日高度角曲线。不对光电传感器部分进行仿真。
在阶梯波中，电池板转动小角度所需要的时间相对于数分钟的等待时间来说是非常短暂的，所以忽略电池板转动所需要的时间。系统的跟踪过程为：每隔4.5分钟计算出高度角差值，除以半步步距角0.9°，得到所需脉冲数，由于脉冲只能是整数，所以对所得数据进行四舍五入处理，将得到的脉冲数发送使步进电机带动电池板转动。
跟踪的最大误差是 9.14°，平均误差是3.96°。通过实验发现，步进电机在没有采用细分驱动时震动和噪声比较大，每一个脉冲的旋转角度误差是比较大的，由于仿真中是假定此时一个脉冲使步进电机旋转0.9°，所以实际的要比理想化的跟踪误差要偏大。
不考虑反馈，出现累积误差，配上传感器电路作为反馈修正，可消除部分累积误差，但是步进电机的最小旋转角度是0.9°，对于诸如1.3°，2.4°这样的离0.9°的整数倍较远的角度偏差改良效果不佳，所以用光电传感器电路进行反馈时对跟踪精度的改良效果也十分有限。
此时电池板的等待间隔时间至少是4.5分钟，在这段时间内电池板的角度是不变的，但是太阳高度角是一直在变化的，所以等待时间越长，则电池板采集太阳能的效率就会越低。
3.2 自动跟踪采用细分驱动
间隔1.5分钟，采用32细分高度角跟踪图如图8所示，其跟踪过程与图7类似。采用32细分驱动，0.0563°/步，间隔时间缩短，跟踪的最大误差是1.25°，平均误差是0.9°。由图8可知，跟踪误差比不采用细分驱动时明显减小，精度提高，细分驱动后步进电机运行稳定，每个步进精度接近于0.0563°，采用传感器电路进行反馈补偿后可进一步提高跟踪精度，此时的补偿效果优于一般驱动。
间隔1.5分钟，64细分高度角跟踪图如图9所示，其跟踪过程与图7类似。跟踪的最大误差是0.4°，平均误差是0.16°。64细分驱动后精度比32细分进一步提高，并且64细分驱动时还可进一步缩短间隔时间。对于一般的实际应用来说，64细分，间隔1.5分钟，再配以光电传感电路进行角度反馈补偿是完全能满足太阳能自动跟系统的精度要求。
基于缩短等待间隔时间，传感器对小角度补偿时误差减小和步进电机运行稳定三方面来考虑，太阳能自动跟踪系统中步进电机驱动应采用细分驱动，这样可以大幅提高跟踪精度，充分利用太阳能资源。
4 结束语
文中设计以单片机为核心的太阳能自动跟踪系统，系统为双轴跟踪，能自动检测昼夜和判断天气状况。自动跟系统采用预先计算好的太阳位置进行自动跟踪，晴天时光电传感器对可能出现的误差进行修正，减小跟踪误差。深入地分析比较系统中步进电机驱动采用一般驱动与细分驱动对跟踪精度的影响，得出结论，与采用一般驱动方法的系统相比，采用步进电机细分驱动的太阳能自动跟踪系统跟踪精度高，有效地提高太阳能利用率。
参考文献
[1] 陈维，李戬洪.太阳能利用中的跟着控制方式的研究[J].新能源及工艺2003，3:18-21
[2] 李申生，太阳能[M].北京:北京人民教育出版社，1998
[3] 言惠，太阳能—21世纪的能源[J].上海大中型电机，2004，4:1-9
[4] 田玮，王一平，韩立君.聚光光伏系统的技术进展[J]，太阳能学报，2005，26:597-604.
[5] 伍春生，刘四洋，彭燕昌等.基于PIC16F877A自动太阳跟踪器的设计[J].现代电子技术2007，20:147-153
[6] 马玲，沈小丰，叶巍.一种新型光电定向系统的实现[J].电子工程师，2006，5:3-4
[7] 许守平，李斌，马胜红.槽式太阳能热发电跟踪控制系统的研究[J].计算机测量与，2008，16:1635-1637
[8] 惠晶，肖荣.一种实用的步进电机细分驱动控制[J]微电机.2009.42:87-89.
作者简介
高磊(1985-)，男，硕士，从事自动化研究。
谢玲玲(1980-)，女，博士，从事DC-DC开关变换器的建模与控制研究。
高精度太阳能自动跟踪装置的研制 篇3
关键词：太阳能,自动跟踪,控制,双轴机构
0 引言
随着现代工业的高速发展，能源需求快速增长，而煤、石油与天然气等传统能源的大量开采使用，使传统能源濒临枯竭，与此同时还带来了大气污染、天气变暖等环境问题。怎样使经济快速发展与环境保护“和谐共存”良性发展，是世界关注的焦点。开发清洁新能源正是解决这一问题的必然途径，也符合现代低碳、绿色、环保、节能与可持续发展的社会主题。太阳能是一种取之不尽、用之不竭，可以再生的清洁无污染资源丰富新能源。但太阳能存在着密度低、不易收集，随光照方向与强度随季节气候与天气昼夜变化而变化的特点，使太阳能的利用存在间歇性与不稳定性的特点。若能始终保持太阳板和光照的垂直，那么就能使太阳能的最大化地接收利用[1]。
光伏发电装置是能量转换装置中的一种，其核心是光能到电能的转换，具有清洁、绿色、环保无污染等特点。目前，世界各国政府制定各种优惠及相关扶持政策，促使太阳能光伏发电在各行各业中应用，如交通、建筑、海岛发电、通讯与航天等相关领域。太阳能自动跟踪控制系统是光伏发电系统的重要组成部分，本文着重阐述了太阳能的自动跟踪控制原理、控制方式与机械机构等内容。
太阳能自动跟踪控制系统就是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，主要功能就是实现光伏电池输出功率最大化。通过自动跟踪阳光直射方向来使光伏电池的效率最大化，香港大学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：对太阳光线运动的自动跟踪与非自动跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7%，精确地自动跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高[2]。为获得最大输出功率特此设计制作本装置。
1 太阳运行轨迹
众所周知，太阳每天东升西落貌似寻常，其实其日照时间与南北位置都在缓慢的变化着，这种变化是随着地方时和太阳赤纬的变化而变化且有轨迹可循，是用太阳赤纬角、高度角、方位角表示。根据天体运动学，可通过公式计算太阳理论运动轨迹与现实位置具体如下文所述。
1.1 太阳的赤纬角
太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以δ表示，在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化。但不超过-23.27O～+23.27O的范围。夏天最大变化到夏至日的+23.27O;冬天最小变化到冬至日的-23.27O。太阳赤纬随季节变化，按照库伯方程[3]，由下式计算：
1.2 太阳高度角
太阳高度角是指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，以h表示，其值在0o～90o之间变化，日出日落为0o，太阳在正天顶时为90o，计算太阳高度角的公式由文献[4]附表查得：
其中，φ：当地纬度(保留一位小数);δ:太阳赤纬;t:太阳时角。
以当地真太阳时正午为0o，每隔一小时变化15o上午为正，下午为负。
T:真太阳时;太阳时角t:
式中，T：真太阳时;CT：地方标准时(时区时)，中国以120°E地方时为标准，称为北京时;LC：经度订正(4分钟/度)，如果地方子午圈在标准子午圈的东边，则Lc为正，反之为负;EQ：时差。
1.3 太阳方位角
太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角,用γ表示[5];方位角以正南方向为0o，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正东北方时，方位为-135°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为-180°。
太阳方位角按下式计算：
由于太阳相对地球的位置是相对于地面而言的，一般用高度角和方位角两个坐标表示。
1.4 日出日落时间确定
日出、日落时间晨线上的各地同时日出，昏线上的各地同时日落。根据某地昼夜长短计算日出日落时刻，可遵循以下公式[6]:
从上述公式可计算出太阳方位角一年中最大值是夏至日，高度角最小值是冬至日。由这两个特殊日子的太阳高度角和方位角，就能确定该装置的自动跟踪范围，依据日出日落时间确定便能实现精准自动跟踪。
通过上述公式计算可得，郑州在一天之间太阳方位角水平方向变化约1 8 0o(61o05′～118°85′)，高度角日变化约在31°50′～78°42′之间，最佳日照高度角为41o44′,(郑州经度113o39′纬度为34°44′)。
2 自动跟踪方式选择
目前太阳能自动跟踪系统从控制方法看主要有以下四种;匀速控制方法、光强控制方法、时空控制方法以及混合控制方法;从机械结构看主要分为单轴自动跟踪方式、双轴自动跟踪方式、斜轴与极轴自动跟踪方式;从控制精度看主要是方位角精度与高度角精度。本装置控制系统采用的是高精度双轴追踪混合控制方式，具体是高度角一方位角双轴自动跟踪式匀速时钟和光电检测混合式控制方法，在阴天、光线较暗与在夜晚时系统不跟踪采用匀速时钟控制方式;当光线照度达到控制要求时，自动启用光电精确跟踪，实行自动调节跟踪控制，保证光→电转换高效。
3 控制系统组成与概述
该控制系统设计主要由以下五个模块组成：高度角运动控制模块、方位角运动控制模块、光电检测转换驱动模块、步进电机驱动模块、步进电机以及电源模块等，如图1所示。
本系统采用的是高精度双轴追踪混合控制方式，太阳的光照强度是随着节气天气变化而实时变化的，当光照强度达到系统要求时，启动光电精准自动跟踪，由四个光敏传感器一直采集光照强度，经过信号处理，使继电器闭合控制器导通，由驱动器驱动步进电机进行高度角一方位角双轴自动自动跟踪调节控制。实施光电精准控制，采用光桶四象限方法，在光线较好情况下，光桶的照射面与太阳光最佳时系统停止自动跟踪，停止时间为12min;当采集到高度角和方位角的光电信号差达到一定门控值时可再次启动系统进行自动跟踪。当天气不好、光线强度比较弱时，采用匀速时钟控制方式，在方位角上以150/h匀速运动，直至西边118.850限位处，夜晚自动复位直东边-61.050起点处。两种自动跟踪方法相互切换，消除了光电自动跟踪受天气影响的问题提高了太阳光能的利用率。
3.1 光电追踪转换控制单元
光敏电阻传感器是光伏发电自动跟踪系统的光信号采集装置，它的使用原理是依据光照强度不同，光敏电阻的阻值不同。为能够精准的采集信号，采用四个光敏电阻，两个一组，都敷设在光伏电池阵列接收光平面上。一组放置于东西方向用于检测太阳方位角变化，另一组放置于南北方向用于检测太阳高度角变化。具体安装光敏电阻如图2安装示意图。图中每个光敏电阻与隔板之间的距离全部为2cm，隔板高度为15cm，外面为不透光材质的塑料采光盒高度为10cm，底面半径10cm。所以，当光线偏离4个光敏电阻的中心线时，由于隔板就会在光敏电阻所在区域上留下阴影,从而使光敏电阻能够很好采集信号[7]。
具体采样驱动工作过程如图3所示：光敏电阻RG1与RG2、电位器W1、W2组成光敏检测桥，如图2所示在同一平面安装的RG1和RG2被中间隔板部分遮住光线时，则RG1与RG2所处的电位就不同，检测桥向运算放大器LM358提供较小的差分电压信号。经运放处理成高低电平，由74LS00进行逻辑判断分别输出高低电平，然后由9014对信号进行放大，驱动继电器吸合，使控制器信号导通，输出到驱动器，驱动器就驱动步进电机进行精准追踪。同理RG3和RG4与上述工作原理相同，不再重复叙述。
3.2 步进驱动器
为了系统电气特性相匹配，本设计选用雷赛智能控制公司的MA860H驱动器驱动电机，该驱动器采用差分式接口电路，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动，集电极开路和PNP输出电路的信号，抗干扰能力强。本驱动器为交直流供电，其供电范围24V≤供电电压≤90V，其工作峰值电流范围为2.4A～7.2A，输出电流可调共有8档，电流的分辨率约为0.6A;具有自动半流，过压、过流保护等功能，其微步细分数可调有16种，最大步数为51200Pulse/rev(具体功能说明见表1)，性能较稳定适合在户外工作[8]，具体连接使用如图4所示。
3.3 自动跟踪控制器
控制器采用的是无锡市信昌电子科技有限公司的XC601简易单轴运动控制器，它是一款经济型步进电机控制器，不需编程就具有丰富的通用功能，有适用于传感器控制的往返运动控制、速度控制、限位控制与自动返回原点等功能(如表2所示)，能够满足太阳能自动跟踪装置的控制要求，具体使用如图4所示。它性能稳定、可靠性高、抗干扰性强与保护功能完备，适合于各种环境恶劣的工业现场使用[9]。
4 机械结构组成
该装置机械部分主要包括太阳能电池板安装部分、高度角转动机构和方位角转动机构三部分。高度角转动机构和方位角转动机构配合，使太阳能电池板部分实现水平旋转和高度角上下运动,太阳能电池板中心轴线上安装有光敏电阻，通过电路控制自动自动跟踪太阳，具体结构如图5所示。太阳能电池板安装部分主要有：电池安装固定板12、固定板背面有丝杠滑块10及其轨道11等相关部分组成，可使太阳光总是垂直照射在电池板上，达到了单位面积上的太阳能高效利用。高度角转动机构主要有：带减速器的步进电机7、啮合齿轮8与丝杠9等相关部分组成，该机构距离电池板近，可实现小幅度的驱动带动电池板大幅度的俯仰动作。方位角转动机构主要有：底座1、步进电机2、减速器3、啮合齿轮4、水平转轴5及方位旋转平台6与电池安装固定板直接相连并实现方位角追踪旋转。该装置机械结构集中，两轴(方位角轴与高度角轴)转向互不干扰，简单合理，占用空间少，灵活度高、工作可靠稳定、使用寿命长。
5 结束语
本文研制了一种高精度太阳能自动跟踪装置，控制系统采用匀速时钟和光电检测混合式控制方法：在阴雨天气时能够根据太阳位置匀速转动跟踪太阳;在晴天时通过光敏电阻寻找最佳辐射点，驱动双轴自动追日;同时该控制系统根据太阳高度角及方位角不断变化的特点，以跟踪太阳运动轨迹为主，结合光电跟踪自动校正，驱动双轴(方位角轴与高度角轴)的步进电机运转，使跟踪更为精确、高效。该装置机械机构主要包括太阳能电池板部分、俯仰转动机构和水平转动机构三部分构成，机械结构简单合理,两轴(方位角轴与高度角轴)转向互不干扰,灵活度高，防尘好，工作可靠稳定、使用寿命长，成本低廉，实用性强具有重大推广意义。
参考文献
[1]王航宇.S7-200PLC在太阳能自动跟踪控制系统中的应用[J].电子设计工程,2012,20(20):98-101.
[2]尤金正.基于图像传感器的闭环式太阳自动跟踪控制器的研究与实现[D].苏州:苏州大学,2010:4-5.
[3]刘贤群,蒋逢灵.基于PLC的碟式太阳能跟踪控制系统设计[J].微型机与应用,2012,31(5):84-86.
[4]中国气象局.地面气象观测规范[M].北京:气象出版社,2003:133.
[5]杨金焕,于化丛.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009.
[6]张文涛.基于PLC的太阳自动自动跟踪系统的设计与实现[J].制造业自动化,2010,32(3):127-129.
[7]王成,钟登翔,高峻晓.两自由度太阳能自动跟踪系统设计[J].机床与液压,2012,40(13):124-128.
[8]深圳市雷赛智能控制股份有限公司.MA860H两相步进驱动器使用手册[Z].2012,10.
太阳能自动跟踪 篇4
【关键词】太阳能集热；装置设置；传感器
太阳能已经成为现代建筑物中必须可少的一种节能环保设备，尤其是在社会自然资源越来越紧缺的情况下，解决能源问题已经成为人们普遍关注的问题。而太阳能作为一种可再生、丰富并且分布广泛的能源，其开发和使用越来越受到人们的高度重视和关注，因此，太阳能的商业化开展已经成为一种必然趋势。在开发和使用太阳能的同时，人们也希望能最大限度的提高太阳能的使用效率，跟踪传感器恰能满足这种需求，不仅具有可行性，同时还具有一定的经济性。
1.太阳能集热装置的太阳能跟踪传感器结构
传感器主要由一个竖筒以及竖筒底部及其周边呈十字布置的4个光敏二极管组成的电桥和在竖筒外部的2个光敏二极管构成，将这些装置与计算机基础设备连接起来，利用传感和基础设备，尤其是专业软件的滤波功能，这些都是跟踪传感器的基础设备，每一个部分都是必不可少的元件，都发挥着重要的功能。其中传感器主要用于单轴的槽式太阳能电站集热装置，这种结构设计原理就是遵循绿色设计理念，降低电站投入成本，并且能全面提升集热装置的信息采集准确性和数据处理的精准度。选择光电二极管作为光电转换元件，光电二极管是跟踪传感器中光电转换元件，是集热装置中必不可少的成分，其主要功能就是能控制集热装置中的电阻，尤其是能解决太阳能阴天时，采集光源的问题，能极大地的提高太阳能集热装置的采集质量和效率，通过传感定位，确定太阳光源位置。
2.太阳能集热装置的太阳能跟踪传感器的运行原理
2.1运行原理
跟踪传感器将光敏元件返回的模拟信号通过数模转换芯片化成数字量，来实现电机的精确控制，进而能达到理想的控制效果，并且能确保控制的精准度。主要运行原理就是利用专业传感仪器，然后将来自不同角度的光电传感上的模拟信息的差值经过放大、滤波之后，再将传感上的数模通过转换器，将数模转化为比较常见的数据储存格式，然后将数字信号发送到单片机上，单片机根据差值的大小和正负来决定固定传感的电机转动方向。单片机接受到的数值差能控制传感电机转动方面，进而能控制电动机动作，并且带动传感器转动，能保证传感电动机始终向正确的方向转动，最终能正确寻找和确定太阳的位置。整个跟踪传感运行过程中，主要是利用跟踪传感器的信号采集、传输、处理等功能，利用其数字化采集的精确性，来提高太阳能集热装置的使用效率，充分合理的利用自然界中的可再生资源。
2.2跟踪传感器使用注意事项
2.2.1信号采集和处理方面
信号采集的准确度是提高输入阻抗的关键，单片机中获取的信号直接关系着传感机电的运行方向。在信号处理方面一定要使用两个相同的放大电路，并且组成第一级放大，电路结构必须保持对称，除了具有高输入阻抗外，同时还要有很高共模抑制性能，电阻中第二级应该为放大电路，放大后的电路信号上安装跟踪器，这样能有效减少后继处理电路对前边放大电路的影响。在使用传感器时，一定要对进行电平转换，确保正负角度的正负电压信号进行电平转换进而能不断满足转换器对电压的需求。
2.2.2慎重选择芯片
芯片选择非常重要，传感集热装置系统的智能化程度非常之高，当单片机接受到信号之后，要将太阳位置准确的传输给上位机，进而控制传动机调整反光板的位置，实现太阳能的转换，并且能极大地提高太阳能的转化效率。目前使用的芯片都是AD型号的，这种型号的芯片能分辩出0.0025v的电压变化情况，为了确保太阳能集热装置的良好性能，选用AT89S8253型号的芯片，采用SPI接口，方便AD读数。在跟踪传感器上可以通过RS232将采集信号传送到主控制器上，进而根据数差，控制和调整集热装置的角度，使其对准太阳。
2.2.3步进电机的选择
步进电机的选择是关键，也是非常重要的步驟，他关系到整个传感器的测量精度和稳定性。步进电机一般要选择具有过温保护功能、过流保护以及欠压保护等功能的元件，并且还具有很好的抗雷击浪涌的保护装置。步进电机装置能满足传感器的精度需求，提高整个装置的精确性。目前使用比较常见的步进电机主要有两相步进电机以及与其相配套的驱动器。为了确保太阳能的转换效率，一定要注意上述几个方面的相关事项，确保集热装置能正常和高效运行。
3.太阳能跟踪传感器的主要功能和使用效果
太阳能跟踪传感器主要是利用现代化遥感技术，在太阳能集热装置中安装跟踪传感器，提高太阳能的使用效率和质量，进而能充分利用可再生且无污染的自然资源，极大地缓解社会能源危机。由上述可知，跟踪传感器的主要功能就是信号采集和处理功能，这方面主要是利用传感电压信号加到相同输入端，进而提高输入电阻的抵抗力，增长太阳能集热装置的能量吸收功能。其次，是太阳能位置搜索能力，传感器能利用遥感技术，即使是在阴天或者是雨天，传感器都不会受到天气的影响，能正常运行，并且不会影响其精确度。太阳能跟踪传感器在集热装置中使用具有很强的可行性和经济性，能提高太阳能使用质量和效率，其最大的优势就是信息处理功能，数据处理的精准度非常高，使用范围也非常广泛，只要有光源就可以直接利用光谱进行采集和收集信号，在雨过天晴后，跟踪传感器能立刻工作，为集热装置提供丰富的能源。因此，研究太阳能跟踪传感器结构特点和运行原理具有重要的作用和意义，技术人员要进一步通过试验确定其稳定性和可靠性，使其能全面推广开来。
4.结束语
综上所述，太阳能跟踪传感器具有信息搜索功能，并且数据采集的精准度非常高，在太阳能集热装置中的使用具有可行性，设计结构简单。尤其是在信号放大方面，采用三运放组成具有高的输入阻抗、高的共模抑制比，且对电阻匹配要求不是很高，这些特点使得跟踪传感器能适应和满足集热装置需求。目前通过相关试验证明，太阳能集热装置中安装和使用太阳能跟踪传感器具有重要的作用和意义，极大地提高了太阳能使用效率。 [科]
【参考文献】
[1]何志兵，刘振华.利用同心套管的简化CPC式中高温真空管太阳能集热系统设计与实验研究[J].热科学与技术，2013（01）.
[2]常泽辉，郑彦捷.一种小槽聚光-真空管集热整体封装式太阳能集热器性能研究[J].太阳能，2013（05）.
[3]杨安礼，王海峰.基于太阳能集热-蓄热技术发展的吸收式制冷、供暖、供热水联供运行系统[J].节能，2012（10）.
太阳能自动跟踪 篇5
太阳方向自动跟踪是提高太阳能利用的有效手段。与固定式相比,单轴跟踪可以提高20%以上,双轴跟踪可以提高30% 以上[1],全自动式可以提高发电量的35%[2]。由于跟踪精度影响跟踪效率,因此人们都竞相开发高精度的实时跟踪系统.比如有些双轴跟踪精度为2°[1],美国阿尔法公司的全自动跟踪太阳能发电设备的跟踪精度为0.5°[2],还有二维程控太阳能跟踪器的精度达0.25°[3]。为配合这个跟踪精度,要么使用跟踪精度高达0.018 75°的步进电机[3],要么使用带减速机构和齿轮减速机构级联[1]。但是高精度往往意味着高投入和系统的高复杂性,而我们具体的应用究竟需要多高的跟踪精度目前并没有统一的说法。虽然文献[4,5,6,7]也建立了数学模型对跟踪系统进行预测和分析,但是都是基于按月统计固定式与跟踪式的性能差别。为更好的利用太阳能,简化太阳能光伏跟踪系统,有必要专门研究一天中太阳相对辐射通量变化率与跟踪精度的关系。
1 太阳光直接辐射强度
日-地距离的变化使得一年中垂直于光线的单位面积上所接收到的太阳辐射通量有±3.4%的变化。为研究方便,取日-地平均距离,则大气层外的太阳能直接辐射强度为太阳能常数Isc。太阳辐射能在通过大气层时会产生一定的衰减,表征大气对辐射衰减程度的重要参数就是大气透明度和大气质量[8]。根据布克-兰贝特定律,设r为目地间距引起的修正值,m为大气质量,p2为将pm修正到m=2的透明度,计算垂直于太阳的光表面上的直接辐射强度I公式为[9]:
大气大气透明度和大气质量之间有着复杂的关系,但是对于大多数地方来说,根据各地相关资料可以确定四季的大气透明度。一天中,随着地球自转,太阳光直接辐射强度的变化很大,为了应用上的方便,可以将m值换成太阳高度角。日地平均距离时各种大气透明度下直接辐射的平均辐射强度随太阳高度角的变化表如表1所示[9]。原表中数据由于单位cal/(cm2·min)是非标准单位并且使得各值太小,对建立模型仿真而言,误差太大,所以将它的单位转换为mW/cm2。转换公式:1cal=4.186 8 J。
我们可以利用这个表,根据太阳高度角可以查出某一透明度条件下的辐射强度值。
2 太阳能电池板高度角自动跟踪模型
为方便计算,假设一天中跟踪高度角跟踪范围是15～90°,太阳辐射强度为I=rIscp
太阳能电池板的自动跟踪几何模型如图1所示,在日地平均距离条件下,设图1中初始太阳高度角为15°,初始太阳辐射强度为I0,太阳能电池板的初始位置为垂直于太阳光。为方便计算,将表1中的数据处理,结果表明太阳高度角在15～90°(7点到12点间)间太阳辐射强度成线性增强,即I=I0+kt,其中k为线性系数,t为时间变量。太阳辐射强度为I。假设太阳光线转动随时间推移而转动一个小角度α(短时间),则在法线方向的太阳辐射强度为:
将式(1)对时间进行积分,则垂直于太阳光线的太阳辐射通量为:
而时间和转动的角度的关系为
经运算可得:
假设在α角度内实行实时跟踪,则太阳辐射通量为:
经运算并换算为α关系可得:
在转动α角度后的相对太阳辐射通量变化率为:
3 数据处理和仿真
表1的直观性不强,不易看出数据间的联系。为分析方便,笔者从表1中截取15～90°的数据作图,建立了太阳能电池板的自动跟踪几何模型,如图2所示。
将高度角15～90°间太阳辐射强度线性化处理,即I=I0+kt。根据式(5)可知,只要能确定I0和k的值,就可以得到太阳光线的相对辐射通量变化率σ随太阳高度角的函数关系。
表2中最后一组的大气透明度值M是假设某天在高度角为15°时大气透明度很低,然后一直平滑过渡到大气透明度最好的情形(如某天上午由大雾到完全晴朗等)。k的意义是每分钟太阳辐射强度的变化率。这样可以作出7条曲线如图3所示。
4 仿真结果分析
图3中的上面一个图是最小跟踪角α从0°增大到50°(弧度值:0.872 7)时的7种天气透明条件下的太阳光线的相对辐射通量变化率,下面一个图是最小跟踪角α从0°增大到10°(对应弧度值:0.174 5)时的7种天气透明条件下的太阳相对辐射通量变化率。M曲线是大气透明度值为M时的情形,其它曲线是大气透明度依次增大。可以看出,大气透明度变化剧烈时,曲线变化最大;大气透明度越高,曲线越平缓,说明在相同的最小跟踪角度α条件下对太阳相对辐射通量变化率影响越小。最小跟踪角度α的值为10°时(对应时间40 min),大气透明度变化剧烈时太阳相对辐射通量变化率为1.2%,大气透明度越高,太阳相对辐射通量变化率越小,最高透明度情况下仅为0.6%,一般透明度情况下在0.8%左右。也就是说对于太阳能光伏发电自动跟踪系统而言,跟踪精度是10°(40 min跟踪一次),太阳能电池板的接收面的太阳相对辐射通量仅变化0.8%。
结论表明:对于非聚焦的太阳能光伏自动跟踪应用方面,高精度方向跟踪对光伏效率提高不显著。适当降低跟踪精度可以减少太阳能电池板的跟踪摆动,提高其运行稳定性,降低功耗和成本,提高可靠性。
该结论对于设计人员有指导意义。我们不必一味追求高跟踪精度,而应该根据实际需要,选择合适的跟踪精度。高性能低成本是设计制造跟踪系统应该追求的目标。
摘要：考虑大气透明度的影响,根据太阳直接辐射强度公式,建立太阳能光伏电池板的高度角自动跟踪模型。数据处理结果表明一天中太阳直接辐射强度与时间成线性关系,从而得到太阳相对辐射通量变化率跟跟踪精度的关系。仿真结果表明:在75°高度角的跟踪范围内,即使角度差为10,°太阳相对辐射通量变化率也仅为0.8%。对于非聚焦的太阳光伏发电系统的方向跟踪而言,精度无需太高,高性能低成本是设计制造跟踪系统应该追求的目标。
关键词：太阳能,自动跟踪,精度,高度角
参考文献
[1]伍春生,刘四洋,彭燕昌,等.光伏发电自动跟踪系统的研制[C].中国太阳能光伏进展,2006:536-540.
[2]任家东,刘永山,何海涛,等.全自动跟踪太阳能发电设备的计算机测控系统[J].计算机工程与科学,1999,21(3):75-76.
[3]饶鹏,孙胜利,叶虎勇.两维程控太阳跟踪器控制系统的研制[J].控制工程,2004,11(6):543-545.
[4]Evans D L.Simplified method for predicting photovoltaicarray[J].Solar Energy,1981,27(6):555-560.
[5]Ineichen P,Zelenka A,Guisan O,et al.Solar radiationtransposition models applied to a plane tracking the sun[J].Solar Energy,1988,41(4):371-377.
[6]Ai Bin,Shen Hui,Ban Qun,et al.Calculation of the hour lyand daily radiation incident on three step tracking planes[J].Energy Conversion and Management,2003,44:1 999-2 011.
[7]Helwa N H,Bangat A B G,ELShenawy E T.Computation ofthe solar energy captured by different solart racking systems[J].Energy Source,2000,22:35-44.
[8]郭延玮,刘鉴民.太阳能的利用[M].北京:科学技术文献出版社,1987:34-56
太阳能自动跟踪 篇6
目前很多太阳能电池板阵列都是固定的,不能充分利用太阳能资源,发电效率低下。据测试,在太阳能电池板阵列中,相同条件下采用自动跟踪系统发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%左右。
所谓太阳能跟踪系统是能让太阳能电池板随时正对太阳,让太阳光的光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置,能显著提高太阳能光伏组件的发电效率。目前市场上所使用的跟踪系统按照驱动装置分为单轴太阳能自动跟踪系统和双轴太阳能自动跟踪系统。单轴是指仅可以水平方向跟踪太阳,在高度上根据地理和季节的变化人为进行调节固定,这样不仅增加了工作量,而且跟踪精度也不够高。双轴跟踪可以在水平方位和高度两个方向跟踪太阳轨迹,显然双轴跟踪优于单轴跟踪。
从控制手段上系统可分为传感器跟踪和视日运动轨迹跟踪(程序跟踪)。传感器跟踪是利用光电传感器检测太阳光线是否偏离电池板法线,当太阳光线偏离电池板法线时,传感器发出偏差信号,经放大运算后控制执行机构,使跟踪装置从新对准太阳。这种跟踪装置,灵敏度高,但是遇到长时间乌云遮日则会影响运行。视日运动轨迹跟踪,是根据太阳的实际运行轨迹,按照预定的程序调整跟踪装置。这种跟踪方式能够全天候实时跟踪,其精度不是很高,但是符合运行情况,应用较广泛。
从主控单元类型上可以分为PLC控制和单片机控制。单片机控制程序在出厂时由专业人员编写开发,一般设备厂家不易再次进行开发和参数设定。而学习使用PLC比较容易,通过PLC厂家技术人员的培训,设备使用厂家的技术人员可以很方便地学会简单的调试和编写。并且PLC能够提供多种通信接口,通信组网也方便简单。
1 系统硬件设计
本系统是以PLC为主控单元的视日运动轨迹控制(程序控制)双轴自动跟踪系统。视日运动轨迹跟踪就是利用PLC控制单元相应的公式和算法,计算出太阳的实时位置(太阳方位角和太阳高度角),然后发出指令给执行机构,从而驱动太阳能跟踪装置,以达到对太阳实时跟踪的目的。
方位角高度角示意图如图1所示。太阳在天空中的位置可以由太阳高度角和太阳方位角来确定。太阳高度角又称太阳高度、太阳俯仰角,是指太阳光线与地表水平面之间的夹角。太阳方位角即太阳所在的方位,是指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角,可以近似看作是树立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方向的夹角。太阳方位角和高度角的实时数值可以通过地理经纬度、时区参数利用公式计算出来。
主控单元是太阳能跟踪系统的核心部件,系统选用结构紧凑、配置灵活、指令丰富的和利时LM PLC,配置包括LM 3109CPU模块和LM3310扩展模块(如图2所示)。LM3109集成为数字量24DI和16DO,能满足要求,通信集成有RS-232和RS-485两个通信接口,RS-232用于与上位文本显示器通信,RS-485用于组网。LM 3310为四通AI模块,可用于采集风速等保护数据。配合和利时HD2400L文本显示器使用,能够监视运行状态、改变参数设置,以达到控制目的。系统信号如表1所示。
设计跟踪调整装置结构如图3所示。装置主要由底座、立轴、横轴、两台旋转电机、传动齿轮等组成。其中旋转电机1驱动横轴,支撑太阳能电池板绕横轴运动,跟踪高度角运行;旋转电机2驱动水平轴,跟踪方位角变化。
在一天的整个过程中,跟踪器能够获得最优的高度角和方位角,电池板能够接收到最大太阳日辐射量。系统用一套公式由PLC计算出实际时刻太阳所在的高度角和方位角,根据实时太阳高度角和方位角与跟踪装置实际的高度角和方位角的差值,以及驱动装置的运转速度,计算出执行机构的跟踪运行时间;最后通过程序执行驱动电机达到要求的位置,实现对高度角和方位角的跟踪。
2 系统软件设计
跟踪模式的判断过程完全由软件实现,灵活度高,可以针对不同地区和不同的气候进行调整,从而提高光伏电站的发电效率;还可以根据需要增加光强传感器、风力传感器等传感装置,提高安全性和满足更高的控制要求。
控制系统流程如图4所示。通过程序控制,可以自动判断是否满足运行条件,从而实现自动启动运行装置、自动停止、返回初始状态等控制。增加风力传感器用于对系统的保护,当风力大于一定数值时,系统停止工作,复位到原点;风速满足工作条件时,系统自动开始工作。太阳能电池板有两个自由度,控制机构对高度角和方位角两个方向进行调整。当电池板转到尽头时,由于跟踪装置装了限位传感器,到限位触点时自动切断输出,电机停止工作。
3 结论
介绍基于和利时LM PLC控制的双轴太阳能自动跟踪系统,系统采用视日运动轨迹跟踪方法设计,实现自动检测运行条件,达到实时跟踪太阳的效果。以和利时PLC作为主控单元,由PLC程序通过算法计算出太阳实时位置与系统位置的角度差,再由旋转电机的运行速度计算出运行时间,通过PLC程序的逻辑控制关系,驱动电机转动,达到自动跟踪太阳位置的目的。该自动跟踪系统的准确性高、可靠性强,即使在天气变化比较复杂的情况下也能正常工作,提高了太阳能的利用效率。客户可以根据自己的要求来修改编写控制程序。对于串、并联的大型光伏太阳能阵列系统,可以通过LM PLC通信,组成通信网络进行集中控制。由此可见,基于和利时LM PLC开发的太阳能自动跟踪系统具有精度高、能实时跟踪太阳变化、通信组网方便等特点,能够满足客户的需求。
摘要：介绍基于PLC的太阳能电池板自动跟踪系统,其中硬件包括PLC输入输出端口、信号处理单元、驱动部分;软件包括PLC的控制和监控程序两部分。
关键词：LM,PLC,太阳能自动跟踪系统
参考文献
[1]王雪文.太阳能电池板自动跟踪系统设计[J].西北大学学报
太阳能自动跟踪 篇7
随着地球人口增长、环境恶化, 开发和利用清洁能源已被广泛关注。其中太阳能所具有的低密度、间歇性、空间分布不断变化的特点也给太阳热能的收集和利用提出了很高的要求。采用太阳热能进行大规模集中式发电, 不仅将对我国电力的可持续发展和改变以煤为主的发电结构发挥重大作用, 也是电力工业实现可持续发展的重要能源基础。
国外对太阳能的利用研究起步早于我国将近20 多年, 且20 世纪初时已开始应用于工业。以色列鲁兹公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范, 在1985~1991 年间, 美国在南加州先后建成9 座槽式太阳能热发电站, 总装机容量354MW, 年发电总量10.8 亿度, 发出的电力可供50 万人使用。经过一些发达国家的持续研究, 目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统, 按集热器类型的不同, 聚光式太阳能热发电系统 (STPGS, Solar Thermal Power Generation System) 可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统3 大类[1,2]。
槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统, 在太阳能热发电领域中, 涉及槽式太阳能热发电中的关键技术是聚光集热装置, 其中聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。为有效利用太阳能, 除了要保证聚光镜片及集热管等相关设备的性能参数外, 提高太阳能能流密度也是重要途径之一, 经研究采用聚焦、跟踪技术能有效地提高太阳能能流密度。 (能流密度是在一定空间范围内, 单位面积所能取得的或单位重量能源所能产生的某种能源的能量或功率, 是评价能源的主要指标之一。) 因此, 本文针对聚焦跟踪技术设计出一种利用液压系统驱动集热器跟踪太阳的装置, 以提高太阳能能流密度[3,4,5]。
1 集热器自动跟踪装置结构及工作原理
整个装置包括槽式集热器、集热管、液压驱动跟踪装置、驱动控制器四部分, 装置结构如图1 所示。
槽式聚光器将投射来的太阳光聚焦到集热管上, 集热管将此热量传递给导热介质, 装置3、4、5、6、7 用于跟踪太阳, 以保证集热器的反射光线始终聚焦于集热管上。
系统控制原理[6,7]是采用闭环反馈控制原理:首先通过天文公式计算出太阳在聚光器所处地理位置的实时高度角和方位角, 再由高度角及方位角推算出对应的集热器最佳聚焦位置对应的法线角度值 (具体定义见太阳角度推算) , 同角度传感器测量得到聚光器实际的法线角度相比较, 计算出聚光器需要转动的角度值, 最后控制液压驱动系统来实现集热器跟踪太阳。本装置采用了一个角度传感器, 角度传感器用于测量集热器的法线角度。
2 跟踪角度公式推算
太阳在空间的位置可以用两个空间角度来表示, 即太阳的高度角和方位角。太阳高度角指太阳光线与地平面之间的夹角, 太阳方位角是太阳光线在地平面的投影与当地子午线的夹角。子午线是指通过当地的经线 (即正南方与正北方的连线即Y轴方向) 。太阳能集热器跟踪角度的解算模型如图2 所示, 其中A表示太阳所在的位置, C为太阳在地平面的投影, OC为太阳光线AO在地平面的投影。太阳高度角为 β, 太阳方位角为 γ, 角度 α 即为所求法线跟踪角。
因为太阳法线跟踪角的计算方法取决于槽式集热器的布置方式, 而槽式集热器通常为南北布置, 故下面以槽式南北方向布置为例进行论述。
追踪面的法线对准太阳时与地平面的夹角定义为法线追踪角, 追踪平面是沿Y轴南北固定。如图2所示, 当法线与AB重合时即对准太阳, 从投影C点做Y轴的垂线垂足为B, 连接AB两点, 因为AC垂直水平面, 而CB又垂直Y轴, 根据三垂定理可知AB垂直Y轴, 所以法线抬起的角度就是 α ( α角为法线跟踪角) 。
首先通过直角三角形OBC计算BC边, 其次利用直角三角形OCA计算AC边, 最后通过直角三角形ACB就可以计算角度 α 的值。从图中可知:
而, 因此
此外, 从图2 中可以看出, 当太阳的投影C点在不同的象限, OC与Y轴的夹角 δ 与太阳方位角 γ的关系是不同的, 法线追踪角 α 在西南和西北象限的值为180- ∠ ABC, 因此要先确定C点所在的象限。太阳高度角在0~90 度之间是白天, 方位角0~90 度表示太阳投影在东北方向 δ =γ , 90~180 度表示太阳投影在东南方向 δ=180°-γ , 180~270 度表示太阳投影在西南方向 δ =γ -180°, 270~360 度表示太阳投影在西北方向 δ=360°-γ 。
3 跟踪方案
槽式太阳能自动跟踪方案[8,9,10], 主要有两种:角度传感器与光线传感相结合跟踪、角度传感器闭环反馈控制跟踪。
角度传感器与光线传感器相结合的跟踪方案:利用光线传感器及角度传感器相结合的方式。利用角度传感器粗略定位集热器的角度位置, 角度偏差值需要在光线传感器的测量范围内, 再由光线传感器精确定位角度值进行跟踪。此种跟踪方式对光线传感器的安装要求很高。
角度传感器闭环反馈控制跟踪:根据美国国家可再生能源实验室提出的天文公式 (美国国家可再生能源实验室 (NREL) 是美国能源部主要的可再生能源和能源效率研发国家实验室, NREL由可持续能源联盟 (The Alliance for Sustainable Energy, LLC.) 为美国能源部管理) , 推算出太阳的实时入射角度, 再控制液压驱动系统进行跟踪, 当集热器停止转动后由角度传感器测量出的实时角度值与计算值比较, 确定需要跟踪的角度, 当差值小于要求精度时, 保持不动, 当大于精度值时则做相应的调整。
4 控制系统
4.1 控制系统硬件部分
槽式集热器驱动控制系统硬件部分主要是CPU处理单元、电源转换模块、信号传输模块、通讯模块、操作按钮、断路器、接触器等组成, 控制器完成对传感器 (角度/ 光线/ 温度) 实时数据的采集及计算, 发送数字信号来控制液压驱动单元电磁阀的动作, 控制电机的启停动作, 对上位系统可实现数据的远程传输, 存储重要事件和操作状态信息, 具有手动定位及检修的操作模式。整个控制原理如图3 所示。
4.2 控制系统软件设计
系统控制流程说明如下:系统开机启动, 首先读取时钟信号得到系统日期和时间, 在CPU软件平台完成对天文公式及集热器法线跟踪角的编程, 将当地的经纬度参数、大气参数、海拔、年平均温度、气象参数、时钟信号等相关信号输入到CPU完成法线跟踪角的计算, 法线跟踪计算值与角度传感器的实时测量值进行比较, 得到集热器偏离法线跟踪位置的差值, 如果差值大于所要求的跟踪精度即进行校正, 反之则保持位置不动。在初始角度调整时使用角度粗定位, 当到达光线传感器的测量范围后再进行精确定位。其中, 大气参数、气象参数、时钟信号为非固定参数, 气象参数需由气象站给出并实时更新, 大气参数需要由待集热器初调完成后由光线传感器进行精确调整, 至此完成集热器的一次追踪过程。
通过计算得出太阳入射角度, 在气象条件允许的前提下, 当入射角度大于15°时开始跟踪, 当跟踪角度大于150°时停止跟踪, 系统回到收藏位置 (暂定法线角度-33°) 。避免能源的浪费, 可以同时参考天气状况及单位面积辐射值来判断系统是否进行逐日跟踪。
5 数据分析及结论
当所有参数设定到合适的值时, 对两种不同的追踪方案进行实验, 以横轴为时间轴, 纵轴为角度轴绘图, 如图4所示。曲线1代表倾角及光线传感器相结合装置太阳入射角理论跟踪值;曲线2表示倾角及光线传感器相结合装置集热器实时角度值;曲线3代表倾角传感器闭环控制装置太阳入射角理论跟踪值;曲线4表示倾角传感器闭环控制装置集热器实时角度值。实验数据从早晨10:23到下午14:23, 图中曲线表示不同组合的跟踪理论值及集热器实时角度值。从曲线图中可以看出, 两种方案跟踪精度存在一定的差距, 传感器与角度传感器相结合的方案中, 利用天文公式理论计算值实时曲线与实时跟踪角度值曲线基本重合, 而只用传感器作为跟踪测量的方案中, 实时计算值曲线与实时跟踪曲线始终存在一定的差值, 跟踪精度不高。
本文设计的槽式太阳能液压驱动跟踪控制系统采用粗定位倾角传感器及精确定位光线传感器相结合的方式, 不仅能实现太阳入射角度在180范围的跟踪, 也同时满足了集热器高精度定位的要求, 定位精度可达到0.1°。此种结合的定位方式避免在云遮的情况下无法跟踪的缺点, 并且运行安全可靠。整个系统结构简单、运行可靠、跟踪精度高、成本低廉。此跟踪系统的缺点是, 对于测量系统的安装精度提出了较高的要求, 倾角传感器及光线传感器的安装精度将直接影响到整个系统的跟踪精度。
参考文献
[1]罗智慧, 龙新峰.槽式太阳能热发电技术研究现状与发展[J].电力设备, 2006, 7 (11) :29-32.Z H Luo, X F Long.State and trend of solar parabolic trough power generation technology[J].Electrical Equipment, 2006, 7 (11) :29-32.
[2]范兵, 陈步亮.太阳能槽式热发电技术综述[J].电源技术应用, 2010, 13 (4) :9-14.B Fan, C L Chen.The overview of parabolic trough solar power technologies[J].Power Supply Technologies and Applications, 2010, 13 (4) :9-14.
[3]许守平, 李斌, 马胜红.槽式太阳能热发电跟踪控制系统的研究[J].计算机测量与控制, 2008, 16 (11) :1635-1637.S P Xu, B Li, S H Ma.Research on tracking and control for solar parabolic trough thermal power system based on microcomputer[J].Computer Measurement and Control, 2008, 16 (11) :1635-1637.
[4]刘伟龙, 刘建平.槽式DSG型热发电技术综述[J].电力科学与工程, 2014, 30 (10) :6-13.W L Liu, J P Liu.A review of DSG solar thermal technology[J].Electric Power Science and Engineering, 2014, 30 (10) :6-13.
[5]罗承先.太阳能发电的普及与前景[J].中外能源, 2010, 15 (11) :33-39.C X Luo.The deployment and prospect of solar power facilities[J].Sino-Global Energy, 2010, 15 (11) :33-39.
[6]鲁瑾, 李清岩.新能源材料:硅基太阳能电池材料[J].新型工业化, 2014, 4 (12) :36-45.J Lu, Q Y Li.New energy materials:silicon based solar cells[J].The Journal of New Industrialization, 2014, 4 (12) :36-45.
[7]唐见茂.新能源材料:风能材料[J].新型工业化, 2014, 4 (12) :54-63.J M Tang.New energy materials:wind energy materials[J].The Journal of New Industrialization, 2014, 4 (12) :54-63.
[8]Qibin Liu, Minlin Yang, Jing Lei, et al.Modeling and optimizing parabolic trough solar collector systems using the least squares support vector machine method[J].Solar Energy, 2012, 86 (7) :1973-1980.
[9]Guangjie Gong, Xinyan Huang.An optimized model and test of the China's first high temperature parabolic trough solar receiver[J].Solar Energy, 2010, 84 (12) :2230-2245.
太阳能自动跟踪 篇8
太阳能是一种可再生能源。近年来, 如何提高太阳能系统的利用效率越来越受到关注。太阳能系统吸收能量的多少很大程度上取决于其太阳能接收板的角度和姿态。目前, 在太阳能电池板的价格仍然居高不下的情况下, 研制具有实用价值的太阳自动跟踪装置是降低光伏发电系统成本, 提高太阳能发电系统效率的主要途径之一。一般采用跟踪系统可提高发电量20%-35% (如图1所示) [1]。
本文设计了一种基于FPGA技术的太阳能双轴跟踪法自动跟踪控制系统, 通过对电机的精确控制, 实现了太阳能电池板效率的充分利用。
2 自动跟踪系统的原理
图2所示太阳的位置由太阳方位角、入射角和所在地的纬度决定。
单轴跟踪系统是指太阳能电池板以经线方向为旋转轴跟随着太阳自东向西运动。而双轴跟踪系统是指太阳能电池板需要绕在空间上两条相互垂直的经线与纬线运动来精确地跟踪太阳运动。可见, 单轴跟踪系统结构简单, 容易控制, 系统不复杂而使可靠性好, 在功率较低的光伏发电系统中具有很高的性价比。但其最大的缺点是效率较低。双轴跟踪系统跟踪精度高, 可大大提高发电量, 但是结构复杂, 成本较高。
自动跟踪系统的原理如图3所示。系统由灵感度较高的传感器将太阳的光信号转换成电信号, 送到A/D转换器上转换成数字信号, 经过FPGA内部嵌入的DSP内核的分析与比较, 通过驱动电路来控制步进电机的转动与转向, 从而带动机械传动机构, 使太阳光始终垂直照射在太阳能电池板上, 提高了太阳光有效利用率。这里选用的传感器的感光特性要与太阳能电池的发电效率最高的太阳光波段相一致, 这样可以进一步提高太阳能发电系统的效率[2,5]。
3 步进电机的工作原理
太阳能自动跟踪系统采用步进电机来进行电池极板的方位控制。步进电机是一种将电脉冲信号转化为角位移或线位移的控制电机。当步进电机驱动器每接收到一个脉冲信号, 它就驱动步进电机转动一个固定的角度。所以控制脉冲的个数就可以控制步进电机的角位移量, 改变脉冲相序和脉冲频率就可以调整步进电机的转向与转速。步进电机具有控制方便、运行稳定可靠、步距误差无长期累积现象等特点, 所以在数控系统、自动生产线、自动化仪表和绘图机等自动控制系统中得到广泛应用[3]。
步进电机的驱动电路根据控制信号工作, 控制信号由各类控制器来产生。其基本工作原理如下:
1) 控制换相顺序:即控制这一过程“脉冲分配”。例如:四相步进电机的单四拍工作方式, 其各相通电顺序为:A-B-C-D。通电控制脉冲必须严格按照这一顺序分别控制A、B、C、D相通断, 控制步进电机的转向。如果给定工作方式正序换相通电, 则步进电机正转;如果按反序换相通电, 则电机就反转。这样就可以通过控制脉冲“相位”来改变定子绕组的通电顺序, 从而达到控制电机正反转的目的。
2) 控制步进电机的速度:如果给步进电机发一个控制脉冲, 它就转一步, 再发一个脉冲, 它会再转一步。两个脉冲的间隔越短, 步进电机就转得越快。调整控制器发出的脉冲频率, 通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度, 从而达到调速的目的。
步进电机有一个重要的技术参数:空载启动频率, 即步进电机在空载情况下能够正常启动的脉冲频率, 如果脉冲频率高于该值, 电机不能正常启动, 可能发生丢步或堵转。在有负载的情况下, 启动频率应更低。如果要使电机达到高速转动, 脉冲频率应该有加速过程, 即启动频率较低, 然后按一定加速度升到所希望的高频。因此步进电机低速启动运转, 若高于一定速度就无法启动, 并伴有啸叫声。为此, 我们采用了细分驱动法对电机进行控制。
所谓细分驱动就是把机械步距角细分若干个电步距角, 当转子从一个位置转到下一个位置的时候, 会出现一些“暂态停留点”, 这样使得电机启动时的过调量或者停止时的过调量就会减小, 电机轴的振动也会减小, 使电机转子旋转过程变得更加平滑, 更加细腻, 从而送还上了噪声[4]。
步进电机的细分控制从本质上讲是对步进电机的励磁绕组中的电流的控制, 使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场, 从而实现步进电机步距角的细分。相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小。要想实现对步进电机步距角均匀细分控制, 必须合理控制电机绕组中的电流。使步进电机内部合成磁场的幅值恒定;每个进给脉冲所引起的合磁场的幅值恒定;每个进给脉冲所引起的合成磁场的角度变化要均匀, 步进电机细分驱动技术可以减小步进电机的步距角, 提高电机运行的平稳性, 增加控制的灵活性等。步进电机的控制的最大特点是开环控制, 不需要反馈信号。
4 F P G A的控制方法
由传感器得到的模拟信号, 经四路A/D转换后得到数字信号, 在FPGA (Field-Programmable Gate Array, 即现场可编程门阵列) 内核进行运算比较处理, 然后通过两个速度控制模块和两个方向控制模块, 分别送到两个执行机构 (步进电机) 上, 从而使太阳能电池板进行调整角度, 使发电系统的效率最高。FPGA内核算法如图4所示。
基于FPGA内核算法的控制原理如图5所示。
图5系统的控制原理
1) 速度控制模块, 核心是锁相环PLL宏模块电路, 它在不同速度控制信号作用下, 可将经时钟分频器分频后的系统时钟改变为不同的PWM信号, 将此信号作为速度控制模块的变频时钟, 可达到改变步进电机速度的目的;
2) 方向控制模块, 核心是脉冲分配电路, 在一个变频时钟周期内, 脉冲分配器可以在不同的方向控制信号下产生不同方向的步进时序脉冲, 从而控制步进电机是顺时针转动还是逆时针转动 (小功率现在可用专用的驱动芯片) 。
驱动模块采用TI公司推出UC3710与6N137隔离组成, 驱动电力MOS管构成驱动模块, 可以将其驱动功率作的很大, 完全满足大功率步进电机的要求。可适用在大功率太阳能发电站的场所。
5 结束语
本文设计的基于FPGA设计的太阳能自动跟踪系统, 可以提高太阳能电池板的发电效率。利用有限的资源 (太阳能电池板) , 尽可能地提高太阳能发电系统的总体效率的唯一一种行之有效的方法。自动跟踪系统不仅提高了电机的调速精度, 强化了对电机系统的控制功能, 也可以大力发展太阳能自动跟踪系统的网际通讯, 实现对太阳能电池板位置及状态进行实时监控, 并根据大型控制系统的优化算法对其进行最优控制等。由于太阳能的利用已经成为目前世界各国关注的热点, 其中还有很多问题本文没有涉及到, 希望本文设计的自动跟踪系统会在一定程度上推动太阳能发电系统的发展。
摘要：根据太阳能电池板的工作原理, 设计了基于FPGA的双轴跟踪法太阳能自动跟踪控制系统。自动跟踪控制系统采用FPGA技术, 给出了FPGA内核算法及基于FPGA内核算法的步进电机速度和方向控制方法。为提高步进电机的控制精度和解决空载启动频率, 采用了细分驱动的方法, 介绍了细分驱动的方法的原理和具体实现。采用本文设计的控制系统可以大大提高太阳能发电系统的效率。
关键词：太阳能发电,自动跟踪,步进电机,FPGA
参考文献
[1]TIAN PAU CHANG.The gain of single-axis trackedpanel according to extraterrestrial radiation[J].Applied Energy, 2009, (86) :1074-1079.
[2]李纬华.独立光伏发电系统研制[M].大连:大连海事大学, 2008.
[3]王德安, 常春玲.基于单片机的步进电机控制[J].自动化与仪表, 2005, (3) :52-54.
[4]林海波.步进电机恒力矩均匀细分驱动器的设计与实现[J].自动化技术与应用, 2003, 22 (2) :51-54.
简析自动跟踪补偿消弧装置技术 篇9
关键词：自动跟踪补偿；消弧；调谐；可靠
中图分类号：TM727 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0012-02
1 概 述
目前，城乡配电网多为非有效接地系统，早期供电网络结构比较简单，系统不大，输电线以架空线为主，由于雷击、树木和大风等因素的影响，单相接地故障是配电网中出现概率最大的一种故障，并且往往是可恢复性的故障。由于非有效接地系统的中性点不接地，即使发生单相金属性永久接地或稳定电弧接地，仍能不间断供电，这是这种电网的一大优点，对供电的可靠性起到了积极作用。
但随着供电系统的不断完善，电缆线路的增加，配电网的对地电容达到一定数值后，配电网的供电可靠性将受到威胁。
首先，当配电网发生单相接地时，接地电流较大，电弧很难熄灭，可能发展成相间短路；
其次，当发生间歇性弧光接地时，易产生弧光接地过电压，从而波及整个配电网。为了解决这些问题，在配电网中性点装设消弧线圈是一项有效的措施。其工作原理：中性点不接地的电网，在正常情况下，三相线路的各相对地电容电流是相等的，它们的矢量和零；当发生单相接地故障时，接地相的电容电流变为零，那么三相的电容电流矢量和将不为零，接地点有电容电流流过；若系统中性点接入消弧线圈，当发生单相接地故障等时，将有一个电感电流，它和接地点电容电流方向相反，因此在接地点相互补偿使接地电流减小，如果消弧线圈选择得当，可使接地点电流小于生弧电流，就不会产生断续电弧和过电压现象。
早前因电网结构比较简单，系统不大，采用继电型补偿装置就能满足需要；而当前，社会迅速发展，城市建设日新月异，配电网的扩大迅速，因美观需要，采用电容电流远大于架空线的电缆线路（据计算， 10 kV线路每公里电缆的电容电流约为架空线路的63倍）；加上反应缓慢的继电器控制系统，给消弧线圈消弧带来新挑战，引起常用消弧线圈的最大补偿电流小于系统的电容电流，消弧线圈运行在“欠补偿”状态，致使运行中容易发生谐振过电压，从而导致接地电弧无法熄灭，严重影响系统的可靠性，影响人身及设备的安全。
据有关通报资料，广州南沙区早前就有3个110 kV变电所安装了3套调隙式消弧线圈的继电型补偿装置，由于城市建设发展，配电网的迅速扩大以及电缆线路的增加，控制部分又使用电磁继电器，控制回路复杂且运行不稳定，使该三套消弧线圈均处于停运状态。
近年，随消弧线圈自动跟踪补偿装置技术的应用，特别是智能自动跟踪补偿装置，很好的以上问题，给中性点不接地的电网发生单相接地时电容电流的补偿技术带来了新景象。
2 自动跟踪补偿消弧装置
自动跟踪补偿消弧装置运用了微机控制器，能实时准确监测电网电容电流等参数，在中性点不接地的电网发生单相接地故障时能在极短时间内自动调节电抗值来补偿电容电流。具有运算速度快、集成度高、抗干扰能力强，多路采集输入信号，响应速度快、精度高等特点，为消弧补偿技术带来了全新面貌。它主要由三大核心部件构成：消弧线圈、接地变压器及自动跟踪调谐控制器。
2.1 接地变压器
中性点绝缘的电力系统，无中性点引出，这就需要先通过接地变压器来形成一个人为中性点，再带接消弧线圈，以利用其电感电流来补偿故障点电容电流。接地变压器采用Z型结线（或称曲折型结线），与普通变压器的区别是每相线圈分别绕在两个磁柱上，这样零序磁通能沿磁柱流通，而普通变压器的零序磁通是沿漏磁磁路流通的，所以Z型接地变压器的零序阻抗很小。它具有零序阻抗低，激磁阻抗大，功耗小等特征。它的运行特点是长时空载，短时过载；当系统发生接地故障时，对正序负序电流呈高阻抗，对零序电流呈低阻抗，可使接地保护可靠动作。
2.2 消弧线圈
消弧线圈是自动跟踪补偿消弧装置形成感性补偿电流的主要部件。它的作用是当电网发生单相接地故障后，故障点流过电容电流，消弧线圈提供电感电流进行补偿，使故障点电流降至要求量，有利于防止弧光过零后重燃，达到灭弧的目的，降低高幅值过电压出现的几率，防止事故进一步扩大。当消弧线圈正确调谐时，不仅可以有效的减少产生弧光接地过电压的机率，还可以有效的抑制过电压的幅值，同时也最大限度的减小了故障点热破坏等。消弧线圈的调节方式主要有：调气隙式、调匝式、调容式、可控硅调节式。
2.2.1 调气隙式
主要通过移动铁芯改变磁路磁阻达到连续调节电感的目的。有工作噪音大、可靠性差、调节精度差、过电压水平高等缺点，已很少使用。
2.2.2 调匝式
调匝式消弧线圈是将绕组按不同的匝数抽出若干个分接头，用有载分接开关进行切换，改变接入的匝数，从而改变电感量。调匝式因调节速度慢，只能工作在预调谐方式，即在系统正常运行无接地发生时，消弧线圈跟踪到最佳补偿位置，接地后不再调节。为保证较小的残流，必须在谐振点附近运行。这将导致中性点电压升高，因此需加装阻尼电阻进行限压。
2.2.3 调容式
通过调节消弧线圈二次侧电容量大小来调节消弧线圈的电感电流。二次绕组连接电容调节柜，当二次电容全部断开时，主绕组感抗最小，电感电流最大。二次绕组有电容接入后，使主绕组感抗增大，电感电流减小。因此通过调节二次电容的容量即可控制主绕组的感抗及电感电流的大小。电容器的内部或外部装有限流线圈，以限制合闸涌流。电容器内部还装有放电电阻。因调容式调节速度快，可实现接地后调节，可不加阻尼电阻。
2.2.4 可控硅调节式
可控硅调节式消弧线圈是把高短路阻抗变压器的一次绕组作为工作绕组接入配电网中性点，二次绕组作为控制绕组由两个反向连接的可控硅短接，调节可控硅的导通角由0～180 °之间变化，使可控硅的等效阻抗在无穷大至零之间变化，输出的补偿电流就可在零至额定值之间得到连续无极调节。由于可控硅工作于与电感串联的无电容电路中，其工况既无反峰电压的威胁又无电流突变的冲击，可靠性得到了保障。可控硅调节式调节速度极快，正常时消弧线圈工作在远离谐振点的位置，不加阻尼电阻。
2.3 自动跟踪调谐控制器
自动跟踪调谐控制器是消弧线圈自动跟踪补偿装置工作的指挥中心。它能准确地完成调谐功能，就是在中性点不接地的电网发生单相接地故障时使电网电感电流接近或等于电容电流。工程上用脱谐度V来描述调谐程度，其中V等于电路的电容电流与电感电流之差除电容电流。
当V=0时，即消弧线圈的电感电流等于电容电流，流过接地点的电流为零，称为全补偿；
当V>0时，即消弧线圈的电感电流小于电容电流，接地点尚有未补偿的电容性电流，称为欠补偿；
V<0时，即消弧线圈的电感电流大于电容电流，接地点具有多余的感性电流，称为过补偿。从发挥消弧线圈的作用上来看，脱谐度的绝对值越小越好，最好是处于全补偿状态，即调至谐振点上。但是在电网正常运行时，小脱谐度的消弧线圈将产生各种谐振过电压。这些谐振过电压给电网带来的不是安全因素而是危害。
因此，当电网未发生单相接地故障时，希望消弧线圈运行在远离谐振点。目前，消弧线圈自动调谐装置可分为随动式补偿和动态补偿。随动式补偿的工作方式是：自动跟踪电网电容电流的变化，随时调整消弧线圈，使其保持在谐振点上，在消弧线圈中串一电阻，增加电网阻尼率，将谐振过电压限制在允许的范围内。当电网发生单相接地故障后，控制系统将电阻短接掉，达到最佳补偿效果，该系统的消弧线圈不能带高压调整。
而动态补偿的工作方式是：在电网正常运行时，调整消弧线圈远离谐振点，彻底避免串联谐振过电压和各种谐振过电压产生的可能性，当电网发生单相接地后，瞬间调整消弧线圈到最佳状态，使接地电弧自动熄灭。这种系统要求消弧线圈能带高电压快速调整，从根本上避免了串联谐振产生的可能性。自动跟踪调谐控制器的微机控制器能通过各种不同的测量计算方法实时监测系统的电容电流等参数，自动快速地完成跟踪补偿的各种反应和调节；例如根据电网的脱谐度和残流的要求，当系统的脱谐度超出设定范围时，控制器会发出指令，调整消弧线圈使脱谐度及残流精确地满足要求。因为微机技术应用，使自动跟踪调谐控制器具有了运算速度快、集成度高、抗干扰能力强、响应速度快、精度高等特点，成就了整个自动跟踪补偿消弧装置先进可靠的特色。
福州地区现有新建变电站10kV配电系统已广泛采用自动跟踪补偿消弧装置，例如，福州堤边110 kV变电站、福州岩洲110 kV变电站、平潭前进110 kV变电站等。它们应用了上海思源智能型自动跟踪补偿消弧线圈装置，能自动跟踪补偿电网电容电流，使之保持于设定参数范围内；能消除电网系统内部过电压及谐振过电压，电网发生接地故障时自动报警；具有远动输出口，便于与上位机通讯，响应速度快、精度高， 装置采样输入信号采用多路径输入，增加实时采样的取点密度，从而提高采样输入信号的精度、可靠性；控制器运算速度快、集成度高、抗干扰能力强，多路采集输入信号和输出指令全面隔离，出口双地址控制，杜绝干扰而引起的测量误差、误动作。
对这些变电站自动跟踪补偿消弧装置几年的运行情况追踪调查，虽这些变电站周围城市建设迅速，配电全部电缆化，但这些变电站的自动跟踪补偿消弧装置都运行良好，无故障发生，表明了它们的适宜性和可靠性。
3 结 语
随着电网的发展，微机技术的应用，中压电网中性点采用消弧线圈接地的优越性已逐渐显示出来。而自动跟踪补偿消弧装置技术的成熟，必将使其成为保障中性点不接地的电网安全运行的主力军。
参考文献：
[1] 胡玉霞.电力消弧线圈综述[M].北京：机械工业出版社，2010.
太阳能自动跟踪 篇10
在倡导环保、低碳的今日, 积极开发并应用低污染和低危险性能源已成为一种潮流。太阳能以其无污染又取之不尽、用之不竭, 成为时下可以利用来发电的最好的能源。而当今太阳能发电的主要方式为光伏发电, 它是采用太阳能电池板吸收阳光, 然后通过一系列的装置装变为电能。目前, 各国都在发展此产业。所以, 光伏产业将以前所未有的高速度占领市场。尤其是美国、日本、欧盟等发达国家, 每年均投入巨资进行光伏发电的研究和开发。与国际上蓬勃发展的利用太阳能光伏发电相比, 中国落后于发达国家10~15年。伴随国家推行西部开发政策及实施光明工程, 投入大大加大, 使太阳能光伏发电技术发展很快。中国光伏产业正以每年30%的速度增长。
由此可见, 光伏发电将成为未来我国解决能源危机的重要途径之一。但就目前在太阳能利用方面, 发电效率低, 投入大, 产能低, 大大限制了太阳能光伏发电的应用和发展。如何最大限度的提高光伏发电效率?就目前来说方法是让电池板能够跟随太阳旋转, 而不是固定不动。这就是自动追日, 它可以充分吸收太阳辐射能量, 从而提高发电效率, 它是固定式系统发电量的1.35倍。也就是说自动跟踪设备比固定发电设备发电量能提高很多, 对解决目前严重的能源危机有重大意义, 同时利用太阳能清洁环保。
2追日系统的追踪方式
目前, 国内外的追日系统的追踪方式包括两种:单轴和双轴。
2.1单轴追踪, 顾名思义只有一个旋转轴, 它是通过此旋转轴来改变电池板的位置角度, 从而实现太阳光线垂直于电池板, 提高效率。但是, 值得注意的是, 一天之中只有在正午时刻光线垂直, 而早上、下午均为斜射, 并且对太阳高度无法实现实时追踪。因此, 效率并不是很高。图1为单轴系统的一种方式。除此之外, 还有焦线南北水平布置, 东西跟踪, 原理与南北向相同。
2.2双轴跟踪, 顾名思义有两个旋转轴即有两个旋转自由度, 电池板可以从太阳方位角、高度角两个方向上同时跟踪太阳, 从而保证电池板垂直于太阳光线, 因此, 也被称为全跟踪。目前的研究, 根据坐标系的不同, 双轴跟踪包括极轴式和高度-方位角式两种。图2为极轴式原理。极轴式跟踪是基于极坐标的, 两轴分别称为极轴、赤纬轴。极轴指向天球北极, 系统追踪时, 太阳能电池板绕极轴作自东向西旋转跟踪太阳方位变化;赤纬轴与极轴垂直, 系统定期地绕赤纬轴作俯仰运动适应高度角变化。此装置极轴支撑设计非常困难, 不是很实用。图3这种跟踪方式是高度角-方位角式跟踪。它是基于地平坐标系的, 两轴分别称为方位轴、俯仰轴。方位轴垂直于地平面, 系统追踪时, 太阳能电池板绕方位轴旋转跟踪太阳方位变化;俯仰轴与方位轴垂直, 系统绕赤纬轴作俯仰运动, 从而使太阳光线垂直于太阳能电池板, 大大提高效率。它的特点是稳定性好、精度高, 设计简单, 应用较广。
3自动跟踪方案
国内外研究自动跟踪太阳的方案主要包括:a.光电跟踪;b.视日运动轨迹跟踪;c.两者结合。
3.1光电跟踪。光电跟踪系统由跟踪头、位置检测装置、控制组件组成, 其中跟踪头为整个装置的执行部分;位置检测由光敏传感器构成, 检测信号;控制组件则接受其检测信号。
如果太阳光线不是垂直入射, 光敏原件就会产生光电流, 此电流与光照强度及光照面积成正比。它作为偏差信号通过执行元件可以控制并调整整个跟踪机构, 始终保持电池板与太阳入射方向垂直。该方法灵敏度高, 但易受天气、环境等外界因素影响, 因此稳定性比较差。
3.2视日运动轨迹跟踪。无论采用哪一种坐标系统, 太阳位置的变化都是可以通过天文学公式计算出来的。在确定地点和基准位置后, 系统会按照公式得出太阳高度角和方位角。根据太阳位置变化驱动跟踪结构转动一定的角度, 循环执行, 直至日落才停止。
这种方法算法复杂, 编程困难, 并且无反馈系统, 无法形成闭环, 另外, 机械结构要求也高。
3.3两种方法结合。单纯的光电跟踪存在稳定性差、响应慢等特点;而视日运动为开环控制, 需要精确定位等特点。鉴于以上两种方法各有利弊, 把两者结合起来, 各取其有点, 就可以扬长弊端。刚开始时, 依靠传感器进行初始定位, 然后, 依靠程序控制来进行跟踪。单轴太阳能自动跟踪系统通过自动控制系统能够追踪方位角的变化, 但须手动调整高度角, 才能使发电功率最大化;而双轴系统能够自动调整方位角和高度角;光电跟踪依靠光电传感器得到偏差信号来调整, 这种方法灵敏度高, 但稳定性差;视日运动轨迹追踪按照预定的程序改变跟踪过程, 但精度不高。
因此将光电跟踪方式和太阳运动轨迹追踪方式相结合, 以控制器为主控单元的双轴自动跟踪系统是发展趋势。
摘要：随着社会的发展, 人口大量增加, 传统能源已不能满足人类需求, 太阳能的利用是人类对新能源研究的进一步探索。但常见的太阳能发电控制系统采用电池板固定式方案, 导致太阳能利用率不高。从实用角度出发, 分析了国内外追日跟踪系统现状和发展前景。
关键词：自动跟踪,研究现状,发展
参考文献
[1]李安定.太阳能光伏发电系统工程[M].北京:北京工业出版社, 2001:8-10.
[2]孙迎光.太阳能光伏发电技术[J].新能源与工艺, 2002, 3:25-28.