定日镜跟踪系统设计.docx

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。

控制部分
转向机构
太阳能采集装置
直流负载
交流负载
逆变器
贮能装置
图2.1跟踪系统的基本构成
控制器

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，指向太阳的向量与天顶Z的夹角定义为天顶角，用eq\o(\s\up7(),\s\do3(Z))表示；向量与地平面的夹角定义为太阳高度角，用h表示；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，用表示。太阳的时角用表示，它定义为:在正午时=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：=23.45sin，（其中为太阳赤纬，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=sinsin+coscoscos（1.3）
式中，沪为地理纬度；占为太阳赤纬；口为太阳时角。
2）太阳方位角
太阳方位角按下式计算，
cos=(1.6)
也可用下式计算：sin=
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
coseq\o(\s\up11(),\s\do4(θ))=-tantan(1.8)
式中eq\o(\s\up11(),\s\do4(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-tantan+1，解式(1.8)，有
eq\o(\s\up11(),\s\do4(θ))=arccos(-tantan)(1.9)
求出时角eq\o(\s\up11(),\s\do4(θ))后，日出日没时间用t=求出。
一天中可能的日照时间由下式给出:N=arccos(-tantan)

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