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为抛物面太阳能聚能器放置设计的太阳跟踪系统

摘要

如今，太阳能聚能器技术变得非常流行，并且对于这项课题开展的研究已经取得了全世界的关注。为了设计一种全新的抛物面太阳能聚能器，这种聚能器将用更具有操作效率和可用性的方式来安装，第一步分析这些参数是非常必要的，比如太阳辐照指数和太阳角度。因此，

在本研究中，开展的理论研究使用的太阳角度用的是突尼斯的时间和地理参数。我们利用一个高精度计量站做了一个实验，来确定太阳在垂直面上的散射、直射和总辐射。

第二步，每一个太阳能聚能器从机械、方向和跟踪系统的精度角度都有其自身的技术规范。在本研究中，三个用于试点的太阳能抛物面聚能器被设计和制造出来，在位于突尼斯的能源研究和技术中心。这些跟踪器能够在两个轴上跟踪太阳（方位和高度角）。我们已经描述和确定了他们每个的跟踪误差。一个比较性研究在这三个追踪系统和一个商用追踪系统之间展开。基于功效和经济性，一个太阳追踪系统会被选出来。被选出来的系统用的花费是1300欧元，并且跟踪误差被降到0.2°。新的追踪器之所以获得高精度是因为使用了小齿轮单元。

目录

1. 介绍
2. 突尼斯的太阳辐射与太阳角度

2.1 太阳角度

2.11 太阳高度角

2.12 太阳方位角

2.2 太阳辐射的理论方法

1. 已实现的太阳跟踪系统

3.1 机械结构

3.2 LDR太阳跟踪系统

3.2.1 LDR传感器

3.2.2 PIC微处理器 16F876

3.2.3 集成电路ULN2003

3.2.4 LDR控制电路

3.3 第一个以日期和时间为基础的太阳跟踪系统

3.3.1 控制模块 HP 34903A

3.3.2 电子控制电路ECC

3.4 第二个以日期和时间为基础的太阳跟踪系统

3.4.1 传动装置原理

3.4.2 控制部件

4. 比较研究

4.1 LDR太阳追踪系统的误差

4.2 以日期和时间为基础的太阳跟踪系统的误差

4.3 消费估算

4.4 与以前研究的比较结果

5. 结论

致谢

参考

介绍

太阳跟踪在将太阳能直接转化为热能或电能的太阳能聚能应用中扮演重要角色。接下来几种方已经被研究和调查用来使太阳能面板、太阳能聚能器、望远镜和其他太阳相关系统正交于太阳光线。

第一步，太阳能跟踪器可以分为三大类：单轴、双轴和混合轴，他们之间的区别在于太阳能聚能器技术。

单轴跟踪装置有一个自由运动的轴能让它绕着一周机械转动。这些太阳追踪器追踪太阳的位置一天之中从东到西或者从北到南。双轴追踪器有两个可以自由运动的轴能让它绕着两根轴做机械转动。这些跟踪器追踪太阳一天之中从东到西，一年之中从北到南。太阳聚能器技术基本光电平面、聚能光电平面和抛物面聚能平面要求使用双轴跟踪系统。

Yilmaz和其他人做了一个实验性的比较测试，一块4.6KW PV平面分别使用单轴和双轴跟踪系统。实验结果表明双轴跟踪系统在功率产生和效能方面具有显著增强。Noel和其他人使用跟踪器让镜子反射太阳光线射进一个使用菲涅尔柔性焦距透镜组的CSP系统。Mavromatakis和其他人使用一种新专利设计的行动系统来控制PV面板。Sebastijan和其他人开发了一个新的太阳角度的预测算法。同时，Ying-Pin使用一种最佳方法确定了在台湾地区PV面板的最佳倾斜角度。一些研究表明使用了太阳跟踪系统的PV面板的平均能量效率相比于固定的面板要高。这些系统可以被用在所有类型的太阳能发电装置中来提高他们的发电量。

Perpintilde;aacute;n开发了一种方法来估计和最优化一个使用太阳跟踪系统的PV面板的能量损失函数。同时，Clifford和其他人建造了一个基于包含热电偶的热机械方法的单轴太阳能跟踪系统。Tina和其他人测试了使用一个二极管传感器的双轴跟踪装置。Nelson和其他人利用PV面板做了一个实验并得到一个结论，在大阴天把PV面板的倾斜角调到最高要比不管天气情况按太阳运动轨迹走的PV面板多产生大约50%的能量。Koussa和其他人在固定、单轴、双轴追踪系统之间展开了一项比较性研究，考虑了一些一天当中影响时间较长的多种参数，天气状况和天空状况。他们估算了追踪系统对PV系统整体表现上的可观贡献

Abdallah和Badran开发了一种太阳追踪系统来增强太阳能生产力。他们比较了一个固定的还一个一直追踪太阳的生产率，结果表明使用了太阳追踪技术生产率提高了大约22%。Sungur测试了有双轴追踪太阳系统的PV面板。他在北纬37°60′（土耳其科尼亚）获得了42.6%增加的能量。Cruz-Peragoacute;n和其他人比较了固定和追踪的电能产生系统；他们表示在全国范围内获得了能量（高出20%）。

另一方面，二维的太阳跟踪系统可以被分为两类：被动（机械）和主动（电子）追踪器。

科学家围绕主动追踪器开展了很多调查研究。Nuwayhid和其他人在有极轴追踪系统的太阳能抛物面聚能装置里应用开环和闭环原理。在开环原理设计中，电脑扮演一个控制器的角色来计算两个辐射角度，同时也驱动聚能装置沿着倾斜角和极轴。在闭环原理设计中，9个光敏电阻像圆形彩虹一样排列来使太阳跟踪更容易获得高精度。它由为在多云天气的日子当中控制追踪器的控制电路组成。这种追踪器基于被不透明的墙分隔开的光敏电阻之间不相同的光线采集。

更进一步，科学家为整合了自动太阳跟踪系统的双轴太阳能聚能器做了一些实验研究。调查发现诸如太阳能烹饪等各种应用都有显著的效率提升。

这篇文章的目的在于选择适当的太阳跟踪系统来让抛物面太阳能聚能器（SPC）能够沿着两轴（方位角和高度角）以最高精度跟踪太阳，使（SPC）达到更高的效能。我们在突尼斯能源研究与科技中心对三个试用的系统开展了对比试验。

这篇文章的工作计划如下。在第二章，突尼斯的全年太阳辐照（直射、散射、总辐射）和太阳高度角将被给出。在第三章，那三个太阳追踪系统会被展示。在第四章，我们在这三个太阳跟踪系统和一个之前的设计之间开展一个比较性研究。研究中我们应用许多标准。在结论中我会突出主要摘要。

突尼斯的太阳辐照和太阳角度

术语

DHI 直接垂直辐射，W gamma; 接收机拦截因数

DNI 标准辐射，W eta;op 光学效率

GHI 全球垂直辐射，W sigma;displacement 位移差，弧度

TST 真太阳时，h sigma;slope 倾斜误差，弧度

d LDR与墙之间的距离，m sigma;specular 反射误差，弧度

l 墙的长度，m sigma;tracking 追踪误差，弧度

k LDR传感器的厚度，m lambda; 反阴影参数

theta;1 入射角度

theta;2 LDR传感器阴影角

希腊字母 h 太阳高度角

delta; 赤纬角，弧度 rho; 反射比

ϕ 经度交，弧度 sigma; Stefan–Boltzmann常数

tau;alpha; 透射比*吸收比

omega; 时角，弧度

聚集中的太阳能聚能器使用光学器件将大量的太阳辐照聚集到一小块区域里面并且在一天里紧跟太阳来保持最大的太阳能流量。为了获得最佳的效能，选择合适的太阳跟踪系统显得非常重要。

太阳辐照数据经常以太阳在垂直面上的地球总辐射的形式出现；因此，抛物线太阳能聚能器获得能量必须被相应的计算出来。

计算过程分为三个步骤；第一步，太阳角度由时间和地理参数比如时角和方位角决定。第二步，用太阳数据来确定在垂直平面上的地球总辐射的部分：散射和直射光线。然后SPC的表现就可以确定了。

太阳角度

地球有两个轨道；绕着自身和绕着太阳的，所以太阳光线要用两个角度来描述，这两个角度被命名为倾斜角和高度角。

太阳高度角

太阳天顶角是直接测量从头顶到太阳几何中心的角度。太阳高度角是太阳的高度；二者的关系由如下关系式给出：

Theta;z=90-h （1）

太阳高度角在日出日落时为0°。在所有季节中，太阳高度在正午达到最大值。

太阳高度角与方位角和时角的关系可有如下表达式给出：

sinh =cos phi;*cos delta;*cos omega; sin phi;*sin delta; （2）

phi;是当地维度，delta;是太阳赤纬，omega;以当地太阳时为基础的时角。

太阳赤纬角delta;是太阳在太阳正午与赤道平面的夹角。下面这个赤纬角表达式是由Cooper定义的。

delta; = 23.45* sin( JD) （3）

JD =（n-81）*（360/365） （4）

n是日期也就是自1月1日起的日数。

太阳的位置取决于时角omega;或者说太阳相对于本地子午线向东或西的角位移。计算如下：omega;=15*（TST-12） （5）

真太阳时TST取决于当地时间LT和时间等式ET，分别由下是给出

TST=LT-Delta;-4(L-Lst) ET （6）ET=9.87sin(2*JD)-7.53cos(JD)-1.5 sin(JD) （7）

L是纵角，Lst是太阳光线处于中间时的纵角。Delta;冬天为1小时，夏天为2小时。

一年当中的每一天从日出到日落的太阳高度角都可以计算出来。（等式（2））

一个特定的FORTRAN程序已将编好了，流程图如图1所示。

图2给出突尼斯地区每月的太阳高度角，由FORTRAN程序计算得出。由实验结果得出当地太阳高度角的最大值在夏季（7月21日）为75°。最小的角度在冬季（12月22日）为30°。

太阳方位角

对于一个地理位置，太阳方位角是太阳光线的水平角度。在太阳正午，在北半球太阳总是朝着南方，在南半球太阳总是朝着北方。太阳方位角在一天一直在变化。在二分点，不管纬度高低太阳都是东升西落。一年当中的太阳方位随着太阳高度和时间的变化而变化。可由下式计算：

（8）

图3是由FORTRAN程序计算出来的每月的太阳方位角的阶段变化。当地的太阳方位角最大值出现在7月21日为90°。最小值出现在12月22日为62°。

开始

自1月1日以来日期数：n

JD =（n-81）*（360/365）

ET=9.87sin(2*JD)-7.53cos(JD)-1.5 sin(JD)

TST=LT-Delta;-4(L-Lst) ET

omega;=15*（TST-12）

delta; = 23.45* sin( JD)

sinh =cos phi;*cos delta;*cos omega; sin phi;*sin delta;

结束

图1 太阳角度流程图<!--

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