聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统_邓滔
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聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统
聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统邓滔;王倩怡;付有;马龙;魏宏魁【期刊名称】《山西电子技术》【年(卷),期】2012(000)005【摘要】在资源紧缺的今天，太阳能以它恒定的来源和高强的辐射能量，日渐成为资源利用的首要选择。
聚光型光伏发电的基本原理是采用带有菲尼尔透镜的太阳能电池板，利用图像采集传感器，拍摄参照物的太阳影子长度，并以与垂直投影做出的比较测出太阳的偏转角度，通过高速控制芯片，根据对采集信息的分析，控制传动机构调节太阳能电池板的偏转角度，实现对太阳的定位和跟踪，从而实现太阳能的高效采集。
%Nowadays, the resources are precious. Solar energy, with its constant source and high strengthen radiation energy, has become the first choice of resources utility. The basic principle of the focusing type photovoltaic power generation is : ( 1 ) using the so- lar panels with Philip Neil lens, (2) photographing the length of the reference shadow with image acquisition sensor and comparing it with vertical projection to measure the defection angle, (3) controlling the transmission mechanism to adjust the defection angle of solar panels through the high-speed-control chip and the analysis of gathering information, (4) realizing the locating and tracking of the sun, and finally reaching the goal of efficient acquisition of solar energy.【总页数】3页(P30-31,37)【作者】邓滔;王倩怡;付有;马龙;魏宏魁【作者单位】太原科技大学,山西太原030024;太原科技大学,山西太原030024;太原科技大学,山西太原030024;太原科技大学,山西太原030024;太原科技大学,山西太原030024【正文语种】中文【中图分类】TP273;TM615.2【相关文献】1.新型聚光光伏发电系统太阳能板设计 [J], 陈国良;孙丽兵;张丽莹;陈素莹2.跟踪式尖顶型聚光光伏发电的研究 [J], 卢育发3.用于太阳能光伏发电的高倍聚光系统 [J], 张平;洪剑麟;夏念;金小伟4.一种聚光太阳能光伏发电装置及其控制系统的设计 [J], 程荣5.聚光型太阳能光伏发电自动跟踪系统探讨 [J], 刘细珠因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
光伏发电系统的太阳能追踪技术与控制
光伏发电系统的太阳能追踪技术与控制随着能源危机的加剧和环境保护意识的提高，太阳能作为一种绿色、可再生的能源，越来越受到重视。
光伏发电系统，作为一种利用太阳能进行能量转换的设备，其发电效率与太阳能的照射角度密切相关。
为了最大限度地提高光伏发电系统的发电效率，太阳能追踪技术应运而生。
本文将介绍太阳能追踪技术的原理和控制方式。
一、太阳能追踪技术的原理通过追踪太阳的位置，调整太阳能电池板的朝向，可以使太阳光垂直照射到光伏电池上，从而提高发电效率。
太阳能追踪系统通常由光敏电阻、控制器和执行机构三部分组成。
1. 光敏电阻光敏电阻是太阳能追踪系统的一个重要组成部分。
它能够感知到太阳光的方向和强度，并将这些信息传递给控制器。
2. 控制器控制器接收光敏电阻传来的信息，并根据预设的算法计算出太阳的位置。
然后，控制器通过控制执行机构的运动，将太阳能电池板始终保持在最佳的朝向。
3. 执行机构执行机构负责调整太阳能电池板的朝向。
根据具体的设计，执行机构可以采用电动的、液压的、气动的等多种方式。
二、太阳能追踪技术的控制方式太阳能追踪系统有两种主要的控制方式：单轴追踪和双轴追踪。
1. 单轴追踪单轴追踪系统只能在一个固定的轴线上进行追踪，一般为水平方向或垂直方向。
水平单轴追踪是将太阳能电池板绕垂直于地面的轴线旋转，使其始终朝向太阳，这种方式适用于低纬度地区。
垂直单轴追踪是将太阳能电池板绕与地平面平行的轴线旋转，以使其始终朝向太阳。
这种方式适用于高纬度地区。
2. 双轴追踪双轴追踪系统可以同时在水平和垂直两个方向上进行追踪。
它可以根据太阳的位置进行精确调整，以获得最佳的太阳能照射角度。
双轴追踪系统的优点是能够适应不同纬度和季节的变化，提高能量利用率。
三、光伏发电系统的太阳能追踪技术应用前景太阳能追踪技术可以提高光伏发电系统的发电效率，使其在不同地区和季节都能获得更多的太阳能。
随着技术的不断发展，太阳能追踪系统的成本逐渐降低，应用前景广阔。
聚光型太阳能光伏发电自动跟踪系统探讨
要想充分掌握 太 阳 能 电 池 的 特 性#首 先 要 了 解
太阳能电池的等值电路%
图 !! 电 池 的 等 效 电 路
图 "! 电 池 在 不 同 光 照 下 伏 安 特 性 曲 线 图!电池的等值电路中可知电路中存在%个电 参数#!是暗电流9S*" 是 负 载 电 流9=*/ 是 短 路 电 流 9?6*%是开 路 电 压 VS3% 从 等 值 电 路 中 可 知#光 伏 电池的转化率!与 材 料 本 身 的 性 质 有 关 "暗 电 流 不 受光照影响$*" 与 光 照 强 度 有 密 切 关 系 "短 路 电 流 和开路电压$%图" 光 伏 电 池 的 伏 安 特 性 曲 线 图 可
! ! 收 稿 日 期 "#"!$#%$!% 作 者 简 介 刘 细 珠 !+**$ 男 高 级 工 程 师 大 学 本 科 研 究 方 向 光 伏 发 电 及 电 气 自 动 化
! !#+ !ຫໍສະໝຸດ 总 第 %0& 期
内蒙古科技与经济
得出#光伏电池受 不 同 光 照 射 下 的 伏 安 特 性 明 显 不 同#光照强度大和 温 度 高 的 曲 线 输 出 的 电 压 和 电 流 几乎呈几何级 数 提 高% 因 此#在 光 伏 发 电 系 统 首 要 问题是如 何 提 高 光 照 强 度%PKh 技 术 正 是 为 解 决 光伏发电系统光照问题而探索%我国目前的光伏电 站采用的都是传统的多晶和单晶硅电池阵列系统# PKh 聚 光 型 只 是 在 原 有 的 电 池 阵 列 上 方 再 加 一 块 面积 比 光 伏 面 板 大 ! 倍 $" 倍 的 菲 尔 透 镜#二 者 间 距需通过实验数据确定%(考虑透镜的聚焦倍率不 应太高#否则如光 线 最 强 时 会 引 起 光 伏 电 池 表 面 温 度太高"不能超!0# 度 $#损 坏 或 缩 短 电 池 组 件 的 寿 命%)实际 安 装 时 还 需 考 虑 人 身 安 全 和 设 备 安 全 "恶 劣 天 气 对 设 备 和 维 修 的 影 响 #同 时 考 虑 晶 硅 电 池 在未减少原有使用寿命的基础上聚光倍率最高%光 电 转 化 效 率 最 高 $#最 大 限 度 降 低 发 电 成 本 % /! 光 伏 发 电 自 动 跟 踪 系 统 设 计
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内蒙古科技与经济
得出#光伏电池受 不 同 光 照 射 下 的 伏 安 特 性 明 显 不 同#光照强度大和 温 度 高 的 曲 线 输 出 的 电 压 和 电 流 几乎呈几何级 数 提 高% 因 此#在 光 伏 发 电 系 统 首 要 问题是如 何 提 高 光 照 强 度%PKh 技 术 正 是 为 解 决 光伏发电系统光照问题而探索%我国目前的光伏电 站采用的都是传统的多晶和单晶硅电池阵列系统# PKh 聚 光 型 只 是 在 原 有 的 电 池 阵 列 上 方 再 加 一 块 面积 比 光 伏 面 板 大 ! 倍 $" 倍 的 菲 尔 透 镜#二 者 间 距需通过实验数据确定%(考虑透镜的聚焦倍率不 应太高#否则如光 线 最 强 时 会 引 起 光 伏 电 池 表 面 温 度太高"不能超!0# 度 $#损 坏 或 缩 短 电 池 组 件 的 寿 命%)实际 安 装 时 还 需 考 虑 人 身 安 全 和 设 备 安 全 "恶 劣 天 气 对 设 备 和 维 修 的 影 响 #同 时 考 虑 晶 硅 电 池 在未减少原有使用寿命的基础上聚光倍率最高%光 电 转 化 效 率 最 高 $#最 大 限 度 降 低 发 电 成 本 % /! 光 伏 发 电 自 动 跟 踪 系 统 设 计
聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统
山西 电子技 术 ２１ ０ ２年第 ５期
文章编号 ：６ ４４ ７ （０ ２ ０ －０ ０ ０ １７ ．５ ８ ２ １ ）５０ ３ －２
应 用 实践
聚 光 型 光 伏 发 电 的 太 ｌ 定 位 和 跟 踪 系统 木 Ｅ 能
邓 滔 ，王倩 怡 ，付 有 ，马 龙 ，魏宏魁
（ 太原科技 大学 ， 山西 太原 ０ｏ ２ ） ３ｏ４
两侧 ， 因此大风对电机的影响会降到最低 ， 在旋转 过程 中， 风
也会由于平 均作 用在 了电池板 的两侧而减少电池板的形变 。
来拍摄参 考物的太 阳影子长 度并与参 考物的垂直 投影作 比
较， 精确地测量 出当前太 阳的偏转 角度 ； 通过高速 的控 制芯 片， 将得到 的角度进行 采集与处理 ， 到相应 的控制角 度与 得
摘 要 ： 资源紧缺 的今 天， 阳能 以它恒定的来源和 高强的辐射能量 ， 在 太 日渐成为资源利 用的首要 选择。聚光 型光伏发 电的基本原理是采 用带有菲尼 尔透镜的太阳能 电池板 ， 用 图像 采集传感 器， 利 拍摄参 照物的 太阳影 子长
度 ， 以与垂直投影做 出的比较测 出太阳的偏转 角度 ， 并 通过 高速控制 芯片 ， 据对采 集信 息的分析 ， 根 控制传 动机构
用率 ， 目前 ， 晶体硅 的太 阳能 转化率 可 以达到 ２ ％ ， 单 ３ 多晶
体硅 可以达到 １％ ， ６ 而薄膜的只能达到 ８ 。这具有 挑战性 ％ 的难 题是这次太阳能定 位和跟踪 系统设计 的出发点 。 为了克服太阳能量密度低 的劣势 ， 我们采用了带有定位 与跟踪 功能的太阳能电池板支架 ， 利用电机传动带动电池板 的两个 自由度的旋 转 ， 尽量使每个时刻电池板都 能垂 直接收 太 阳能。跟踪功能 的实 现根本 是 定位 ， 们使 用分 辨率 为 我 ６ ０× ２ ４ ３ ０的 Ｃ Ｄ图像 采集 传感 器 ， Ｃ 以至少 ０ ２ｓ幅 的速度 ． ／
文章编号 ：６ ４４ ７ （０ ２ ０ －０ ０ ０ １７ ．５ ８ ２ １ ）５０ ３ －２
应 用 实践
聚 光 型 光 伏 发 电 的 太 ｌ 定 位 和 跟 踪 系统 木 Ｅ 能
邓 滔 ，王倩 怡 ，付 有 ，马 龙 ，魏宏魁
（ 太原科技 大学 ， 山西 太原 ０ｏ ２ ） ３ｏ４
两侧 ， 因此大风对电机的影响会降到最低 ， 在旋转 过程 中， 风
也会由于平 均作 用在 了电池板 的两侧而减少电池板的形变 。
来拍摄参 考物的太 阳影子长 度并与参 考物的垂直 投影作 比
较， 精确地测量 出当前太 阳的偏转 角度 ； 通过高速 的控 制芯 片， 将得到 的角度进行 采集与处理 ， 到相应 的控制角 度与 得
摘 要 ： 资源紧缺 的今 天， 阳能 以它恒定的来源和 高强的辐射能量 ， 在 太 日渐成为资源利 用的首要 选择。聚光 型光伏发 电的基本原理是采 用带有菲尼 尔透镜的太阳能 电池板 ， 用 图像 采集传感 器， 利 拍摄参 照物的 太阳影 子长
度 ， 以与垂直投影做 出的比较测 出太阳的偏转 角度 ， 并 通过 高速控制 芯片 ， 据对采 集信 息的分析 ， 根 控制传 动机构
用率 ， 目前 ， 晶体硅 的太 阳能 转化率 可 以达到 ２ ％ ， 单 ３ 多晶
体硅 可以达到 １％ ， ６ 而薄膜的只能达到 ８ 。这具有 挑战性 ％ 的难 题是这次太阳能定 位和跟踪 系统设计 的出发点 。 为了克服太阳能量密度低 的劣势 ， 我们采用了带有定位 与跟踪 功能的太阳能电池板支架 ， 利用电机传动带动电池板 的两个 自由度的旋 转 ， 尽量使每个时刻电池板都 能垂 直接收 太 阳能。跟踪功能 的实 现根本 是 定位 ， 们使 用分 辨率 为 我 ６ ０× ２ ４ ３ ０的 Ｃ Ｄ图像 采集 传感 器 ， Ｃ 以至少 ０ ２ｓ幅 的速度 ． ／
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阳能板的总电流计算公式为：
太阳能板的总电流
=
每块太阳能板的功率 /W × 太阳能板片数． 控制器额定电压 /V
致。 （ 6） 逆变器的安装 逆变器是连接负载和电池的最后一
个关键组件，也是最容易的。只需将逆变器的正负极连接到 电池的正负极就可以。但逆变器的选择十分重要，分为方波 和正弦波逆变器，虽然效果相同，但两者的价格却相差两倍 以上。故此处使 用 正 弦 波 逆 变 器，除 了 价 格 便 宜 外，正 弦 波 逆变器不仅可以加载所有负载，而且不会对任何电器的使用 寿命造成影响。但要确保使用电器功率的总和不能超过逆 变器的容量。
为了克服太阳能量密度低的劣势，我们采用了带有定位 与跟踪功能的太阳能电池板支架，利用电机传动带动电池板 的两个自由度的旋转，尽量使每个时刻电池板都能垂直接收 太阳能。跟踪功 能 的 实 现 根 本 是 定 位，我 们 使 用 分 辨 率 为 640 × 320 的 CCD 图像采集传感器，以至少 0． 2 s / 幅的速度 来拍摄参考物的太阳影子长度并与参考物的垂直投影作比 较，精确地测量出当前太阳的偏转角度； 通过高速的控制芯 片，将得到的角度进行采集与处理，得到相应的控制角度与 位移量。这样，定位的目的实现了，跟踪的效率自然就会大 大提高。使用精度为 1 /10 000 度的伺服电机与高精度涡轮 蜗杆传动机构，使太阳能支架能自如的旋转，以最高的效率 接受太阳能。
即可以使用变量来设置变频器的站号。当一台触摸屏无论 连接多少台变频器时，只需使用一套触摸屏窗口程序即可轻 松访问各台变频器，而您需要操作的仅仅是改变变量的值为
以前用开关、按扭来控制的操Байду номын сангаас失误，减小了设备的维修次 数，提高了生产效率； 同时增加了设备的显示、存储功能，大 大提高了系统的性价比［4］。
您要访问的变频器站号即可。
常高的场合，用触摸屏代替一般计算机的优点在于： （ 1） 简
在 WEINVIEW MT6050i 触摸屏的主界面上，可以简单 化了人机界面； （ 2） 在恶劣条件下经久耐用； （ 3） 适用于所有
方便的对系统的参数进行设定，另外还可实时显示当前通讯 变频器的各项主要参数，并用精美的图形实时显示变频器的 当前状态，分为： 停机、运行、故障等多档指示［3］。
图 1 太阳能电池板支架
为此，设计中把支架和电池板的连接处设计成如图 1 所 示。即在电池板的距离较长的对应两侧中央安装轴承，带动 电池板做上下方向的旋转。这样的设计使“点接触”扩大到 “线接触”。又由于太阳能电池板的重量平均分布在中轴的 两侧，因此大风对电机的影响会降到最低，在旋转过程中，风 也会由于平均作用在了电池板的两侧而减少电池板的形变。
Yuan Yun-feng
（ Shanxi Institute of Mechanical ＆ Electrical Engineering，Changzhi Shanxi 046011，China）
Abstract： This paper mainly introduces the performance and characteristic of the lost foam casting shaker，puts forward the work-
参考文献 ［1］ 苏继勇，贾柏林，王骊． 消失模铸造砂处理系统的设计
与应用［J］． 铸造设备研究，2006( 3) : 12 － 13． ［2］ 叶伟． 高频震实台在消失模铸造生产线上的应用［J］．
铸造设备研究，2003( 6) : 23 － 25． ［3］ WEINVIEW 威纶触摸屏编程软件操作手册［Z］． Easy-
山西电子技术 2012 年第 5 期
应用实践
文章编号： 1674-4578（ 2012） 05-0030-02
聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统*
邓 滔，王倩怡，付 有，马 龙，魏宏魁
( 太原科技大学，山西 太原 030024)
摘 要： 在资源紧缺的今天，太阳能以它恒定的来源和高强的辐射能量，日渐成为资源利用的首要选择。聚光 型光伏发电的基本原理是采用带有菲尼尔透镜的太阳能电池板，利用图像采集传感器，拍摄参照物的太阳影子长 度，并以与垂直投影做出的比较测出太阳的偏转角度，通过高速控制芯片，根据对采集信息的分析，控制传动机构 调节太阳能电池板的偏转角度，实现对太阳的定位和跟踪，从而实现太阳能的高效采集。
2 支架设计部分
在设计太阳能电池板支架的过程中，不仅要考虑到材料 自身重量和惯性的因素，还要考虑到投入应用后，实际的自 然条件的因素。大风是不可忽略的一个重要自然现象，在世 界各个国家各个城市，全年都会刮起不同风速等级的大风。 这就要求支架 足 够 坚 固，固 定 太 阳 能 电 池 板 的 轴 承 足 够 稳 定，足以承受大风所带来的力的作用。
太阳能电池板左右方向的旋转由下面箱体中的伺服电 机控制，如图 2 所示。角钢支架与电动机的连接也采用钢管 与轴承的连接方式。钢管横截面与角钢支架水平焊接，钢管 的直径与壁厚根据电池板，支架，电机，轴承的总重量而定， 以稳定性好为原则。
图 2 太阳能电池板整体支架
收稿日期: 2012 － 07 － 31 基金项目: 本项目受太原科技大学校 UIT 项目( No． 2011244) 资助 作者简介: 邓 滔( 1988- ) ，男，广西桂林人，本科，研究方向: 自动化。
ing process of new typed shaker and the design scheme of electrical control； the scheme has the advantages of operation easily，and also
can satisfy the casting production process requirements．
（ 2） 太阳能控制器： 太阳能控制器的作用是控制整个系 统的工作状态，并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的 作用。在温差较大的地方，合格的控制器还应具备温度补偿 的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制 器的可选项。
（ 3） 蓄电池： 一般为铅酸电池，小微型系统中，也可用镍 氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能 电池组件所供出的电能储存起来，到需要的时候再释放出来。
Builder8000 版本． 2004． 06． ［4］ 周櫆，樊自田，黄乃瑜，等． 年产 1500 吨铸件消失模铸
造生产线及其三维设计［J］． 中国铸造装备与技术， 2004( 2) : 54 － 57．
The Design of Human-Machine Interface of Lost Foam Casting Shaker
第5 期
邓滔，等: 聚光型光伏发电的太阳能定位和跟踪系统
31
控制左右方向旋转与上下方向旋转的伺服电机都密封 在箱体里，主要考虑到雨雪天气里金属的传动机构不会有损 害。
3 供电系统部分
太阳能光伏供电系统的基本工作原理是，在太阳光的照 射下，将太阳能电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄 电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电，如 果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直 流负载供电，对于含有交流负载的光伏系统而言，还需要增 加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多 种形式，但是其基本原理大同小异。
王倩怡( 1990- ) ，女，河北唐山人，本科，研究方向: 自动化。 付 有( 1988- ) ，男，山西忻州人，本科，研究方向: 机械设计制造及其自动化。 马 龙( 1988- ) ，男，河北安国人，本科，研究方向: 机械设计制造及其自动化。 魏宏魁( 1988- ) ，男，河北南宫人，本科，研究方向: 电子设计。
在教学楼楼顶，这样既有利于收集阳光能量，又不会给楼中 ～ 50% 的电流来选择，就可以满足需求。
的空间增加压力。
（ 5） 蓄电池的安装 电池连接原则： 与系统电压保持一
（ 2） 计算每日耗电量 这个数据必须准确，以确保设计
的太阳能发电量足够用于整个教学楼的发电，并且有一定的
余量，以便在阴雨天气时能够利用储存在蓄电池里的多余电
将太阳能电池与用电器连接，需要考虑的主要问题是： （ 1） 电压是否相同； （ 2） 功率是否匹配； （ 3） 电池的持续供电能力。 解决以上问题，有不同方案可以选择。比如太阳能电池 电压问题，可以采用串联电池或者采用逆变电路、稳压电路 来解决，功率问题可以采取选择适合电池板、并联电池等技 术解决，太阳能 电 池 不 足 之 处 在 于 由 于 太 阳 光 照 的 不 稳 定
关键词： 聚光型; 光伏发电; 跟踪; 定位; 高效 中图分类号： TP273； TM615 + ． 2 文献标识码： A
1 设计思路
目前我国的太阳能利用率处于较低水平，主要原因是太 阳能密度低，照射到地面上的平均光强只有 1 kW / m2 ，并且 随着季节和天气因素的变化，更增强了太阳能利用的难度； 我国现有的太阳能电池板的发展水平也限制了太阳能的利 用率，目前，单晶体硅的太阳能转化率可以达到 23% ，多晶 体硅可以达到 16% ，而薄膜的只能达到 8% 。这具有挑战性 的难题是这次太阳能定位和跟踪系统设计的出发点。
性，导致工作可靠性较差，想要实现持续不间断输出，一般需 要加装蓄电池，并需要与之相配套的充电电路和逆变输出电 路。
太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄 电池（ 组） 组成。如输出电源为交流 220 V 或 110 V，按实际 需要还可以配置逆变器。各部分的作用为：
（ 1） 太阳能电池组件： 太阳能电池组件是太阳能供电系 统中的核心部分，也是太阳能供电系统中价值最高的部分。 其作用是将太阳的辐射能量转换为电能，或送往蓄电池中存 储起来，或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将 直接决定整个系统的质量和成本。
4 总结
在本次聚光型光伏太阳能的定位与跟踪系统设计的过 程中，遇到了许多大大小小的问题。比如传动系统的组装，