最新定日镜跟踪系统设计

定日镜跟踪系统设计

定日镜跟踪系统的设计

定日镜在电站中不仅数量最多、占据场地最大，而且是工程投资的重头。定日镜的跟踪效果严重影响着太阳能的利用效率。研究表明：对日跟踪与不跟踪，能量的接受效率相差37.7%，精确地跟踪太阳可使接收器的热效率大大提高，进而提高整个装置的太阳能利用率，从而拓宽太阳能的利用领域。

一、跟踪系统的组成

跟踪系统主要构成一般为：（1）太阳能采集装置；（2）转向机构；（3）控制部分；（4）贮能装置；（5）逆变器。系统组成如图2.1所示。

图2.1 跟踪系统的基本构

1.太阳能采集装置

本光伏发电系统的目的即是对太阳能进行有效的吸收，从而尽可能多的把太阳能量转化为可用电能，提供给耗电负载使用，起到节省能源的目的。

但是太阳能电池本身容易破碎、易被腐蚀，若直接暴露在大气的环境中，光电转化的效率就会由于环境潮湿、灰尘、酸雨等影响而下降，最后以至于破碎失效。不能满足本系统经久耐用的研发要求。因此，太阳能电池需要通过胶封、

层压等方式封装成平板式结构才能投入使用，如层压的封装方式，即将太阳能电池片的正面和背面各用一层透明、耐老化、黏结性好的热熔性胶膜封装，并采用透明度高、耐冲击的低铁钢化玻璃做为盖板，用耐湿抗酸的复合薄膜或者玻璃等其他材料做背板，通过真空层压工艺将电池片、正面盖板和背板薪合为一个整体，从而构成一个使用的太阳能电池发电器件，称为太阳能电池组件2.转向机构

用来跟踪太阳的实时位置, 主要由底座、驱动电机、联轴器、减速机构、电池板固定框架等构成。底座主要由普通的钢材加工而成，便于拆卸和移动。驱动电机选用的是步进电机，此种电机性能可靠，对于角度量转向控制精确。连轴器选用的是普遍使用的弹性联轴器，耐冲击，经久耐用。由于研发要求系统要结构紧凑，电机选取的为小型步进电机，输出扭矩达不到转向要求，因此要选用减速机构来提升输出扭矩，在本光伏系统中，选取的是小型涡轮蜗杆减速机构;并且，太阳的角度控制要求精确，要合理的选取涡轮蜗杆减速机构的传动比，在系统设计中选用的传动比为50:1即可达到要求。电池板固定架用来对太阳能电池板进行固定，要求设计合理，稳定。

3.控制部分

要根据即时时间进行太阳角度的运算，调整系统精确转向，因此要合理选用控制芯片完成此功能。

4.贮能装置

本系统的制造目的是对太阳能进行采集，并加以利用，因此需要将太阳能电池组件产生的电能储存起来，用于其他耗电场合.

5.逆变器

采用逆变器将蓄电池的直流电转化为普通用电器可以使用的交流电。

6.控制器

为了最大限度地利用蓄电池的性能和延长使用寿命，必须对它的充电条件加以规定和控制。

二、太阳高度角和方位角的确定

1、太阳角的定义

如下图所示，指向太阳的向量S 与天顶Z 的夹角定义为天顶角，用θ Z 表

示；向量S 与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h 表示；S 在地面上的投影线

与南北方向线之间的夹角为太阳方位角，用γ表示。太阳的时角用ω表示，它定义为:在正午时ω=0，每隔一个小时增加15°，上午为正，下午为负。

根据Coper 方程可得：δ=23.45sin 3652d

π，（其中δ为太阳赤纬，d 为自春分日起的第d 天，春分为3月21日）

1）太阳高度角

计算太阳高度角的表达式为

sinh=sin φsin δ+cos φcos δcos ω （1.3）

式中， φ沪为地理纬度；δ占为太阳赤纬；ω口为太阳时角。

2）太阳方位角

太阳方位角按下式计算，

cos γ=δδ

δcos cosh sin sin sinh - (1.6)

也可用下式计算：sin γ=cosh sin cos ω

δ

3）日照时间

太阳在地平线的出没瞬间，其太阳高度角h=0。若不考虑地表曲率及大气折射的影响，根据式(4.3)，可得出日出日没时角表达式

cos ω

θ=-tan φtan δ (1.8)

式中ω θ-日出或日没时角，以度表示，正为日没时角;负为日出时角。对于北半球，当-1≤- tan φtan δ≤+1，解式(1.8)，有

ω

θ

=arccos(-tan φtan δ) (1.9) 求出时角ω θ后，日出日没时间用t=h o 15ω

求出。 一天中可能的日照时间由下式给出: N=152

arccos(-tan φtan δ)

三、机械部分的设计

（一）减速装置的选型

在发电系统的研制中，要求结构紧凑，因此要选用的电机体积不能太大，由于结构的限制，电机的功率和扭矩也不会很大，不能直接带动机械转向机构做跟踪太阳的运动。因此要选用合适的减速机构来提高扭矩，使转向机构正常运转。为了满足整个系统结构紧凑、体积小的要求，在本机械转向机构中可以选用的减速器有以下三种:涡轮蜗杆减速器、谐波减速器和行星减速器。这三种减速器的性能比较如表。

这三种减速器各自的特点如下:

（1）蜗轮蜗杆减速器的主要特点是具有反向自锁功能，可以有较大的减速比，输入轴和输出轴不在同一轴线上，也不在同一平面上。但是一般体积较大，传动效率不高。

（2 )谐波减速器的谐波传动是利用柔性元件可控的弹性变形来传递运动和动力的，体积不大、精度很高，但缺点是柔轮寿命有限、不耐冲击，刚性与金属件相比较差。输入转速不能太高。

（3 ) 行星减速器其优点是结构比较紧凑，回程间隙小、精度较高，使用寿命很长，额定输出扭矩可以做的很大。但价格略贵。

本系统由于起停比较频繁，冲击较大，因此不适合选用谐波减速器。行星减速器虽然精度较高，但价格昂贵，也不能满足本太阳能光伏发电系统的设计初衷。因此在本双轴跟踪机构中，选取涡轮蜗杆减速器是较为合适的。