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(xiàn)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。

3 供電系統(tǒng)部分
    太陽(yáng)能光伏供電系統(tǒng)的基本工作原理是，在太陽(yáng)光的照射下，將太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生的電能通過(guò)控制器的控制給蓄電池充電或者在滿(mǎn)足負(fù)載需求的情況下直接給負(fù)載供電，如果日照不足或者在夜間則由蓄電池在控制器的控制下給直流負(fù)載供電，對(duì)于含有交流負(fù)載的光伏系統(tǒng)而言，還需要增加逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電。光伏系統(tǒng)的應(yīng)用具有多種形式，但是其基本原理大同小異。
    將太陽(yáng)能電池與用電器連接，需要考慮的主要問(wèn)題是：
    (1)電壓是否相同；
    (2)功率是否匹配；
    (3)電池的持續(xù)供電能力。
    解決以上問(wèn)題，有不同方案可以選擇。比如太陽(yáng)能電池電壓?jiǎn)栴}，可以采用串聯(lián)電池或者采用逆變電路、穩(wěn)壓電路來(lái)解決，功率問(wèn)題可以采取選擇適合電池板、并聯(lián)電池等技術(shù)解決，太陽(yáng)能電池不足之處在于由于太陽(yáng)光照的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致工作可靠性較差，想要實(shí)現(xiàn)持續(xù)不間斷輸出，一般需要加裝蓄電池，并需要與之相配套的充電電路和逆變輸出電路。

    太陽(yáng)能供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池組件、太陽(yáng)能控制器、蓄電池(組)組成。如輸出電源為交流220 V或110 V，按實(shí)際需要還可以配置逆變器。各部分的作用為：
    (1)太陽(yáng)能電池組件：太陽(yáng)能電池組件是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中的核心部分，也是太陽(yáng)能供電系統(tǒng)中價(jià)值最高的部分。
其作用是將太陽(yáng)的輻射能量轉(zhuǎn)換為電能，或送往蓄電池中存儲(chǔ)起來(lái)，或推動(dòng)負(fù)載工作。太陽(yáng)能電池組件的質(zhì)量和成本將直接決定整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量和成本。
    (2)太陽(yáng)能控制器：太陽(yáng)能控制器的作用是控制整個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并對(duì)蓄電池起到過(guò)充電保護(hù)、過(guò)放電保護(hù)的作用。在溫差較大的地方，合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償?shù)墓δ?。其他附加功能如光控開(kāi)關(guān)、時(shí)控開(kāi)關(guān)都應(yīng)當(dāng)是控制器的可選項(xiàng)。
    (3)蓄電池：一般為鉛酸電池，小微型系統(tǒng)中，也可用鎳氫電池、鎳鎘電池或鋰電池。其作用是在有光照時(shí)將太陽(yáng)能電池組件所供出的電能儲(chǔ)存起來(lái)，到需要的時(shí)候再釋放出來(lái)。
    既要為機(jī)械部分的維護(hù)與修理留出空間，又要將其設(shè)計(jì)的盡量小巧輕便，以便于搬運(yùn)與維修；控制部分的程序調(diào)試；供電系統(tǒng)的實(shí)際安裝等。
    在設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，我們充分體會(huì)到了設(shè)計(jì)的樂(lè)趣與解決問(wèn)題后帶來(lái)的巨大成就感。這次項(xiàng)目給我們的知識(shí)應(yīng)用帶了很大的提高，同時(shí)也教會(huì)了我們?nèi)绾闻c隊(duì)員合作最終完成任務(wù)。這些不僅在校園里，在將來(lái)工作的單位和企業(yè)中也是十分有用的經(jīng)驗(yàn)。