導(dǎo)語(yǔ)：如何才能寫(xiě)好一篇光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟，這就需要搜集整理更多的資料和文獻(xiàn)，歡迎閱讀由公務(wù)員之家整理的十篇范文，供你借鑒。

篇1

發(fā)展綠色建筑，在我國(guó)也逐漸受到了重視，政府就發(fā)展綠色建筑不僅確定了戰(zhàn)略目標(biāo)、發(fā)展規(guī)劃、技術(shù)經(jīng)濟(jì)政策，同時(shí)也修改和完善相關(guān)法律、法規(guī)，保證綠色建筑的構(gòu)建和推廣。以目前廣州市為例，廣州市白云區(qū)、南沙區(qū)等區(qū)域新建建筑設(shè)計(jì)項(xiàng)目均最低需滿足國(guó)家綠色建筑一星級(jí)要求。綠色建筑設(shè)計(jì)規(guī)范中，關(guān)于“合理采用可再生能源發(fā)電技術(shù)，發(fā)電量不低于建筑用電量的2%”[2]，而太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)作為一種可再生能源首先被列入了考慮范圍。當(dāng)前，太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)與建筑物相結(jié)合研究最多的是光伏建筑一體化系統(tǒng)（BIPV 即Building Integrated Photovoltaic），該系統(tǒng)中光伏組件既要滿足光伏發(fā)電的功能要求，同時(shí)也要兼顧建筑的基本功能及美學(xué)要求，光伏組件既被用作系統(tǒng)發(fā)電機(jī)，又被用作建筑物外墻材料。本文結(jié)合工程實(shí)例，從建筑電氣設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的角度闡述、分析綠色建筑中光伏建筑一體化系統(tǒng)（BIPV）的設(shè)計(jì)思路及發(fā)展前景。

1 光伏建筑一體化系統(tǒng)建筑設(shè)計(jì)要求

1.1一般規(guī)定

光伏建筑一體化系統(tǒng)中光伏組件與建筑的集成結(jié)合方式，有光電屋頂、光電幕墻、光電采光頂和光電遮陽(yáng)板等。系統(tǒng)設(shè)計(jì)需結(jié)合建筑、結(jié)構(gòu)等相關(guān)專(zhuān)業(yè)要求，共同確定系統(tǒng)各組成部分在建筑中的安裝位置。安裝在建筑物上的光伏組件，滿足建筑的使用功能及節(jié)能要求、結(jié)構(gòu)安全及使用要求、以及電氣安全等要求，并配置帶電警告標(biāo)識(shí)及電氣安全防護(hù)設(shè)施，以免出現(xiàn)不必要的觸電事故。

此外，光伏建筑一體化系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)需進(jìn)行太陽(yáng)能輻射、建筑物、電網(wǎng)等方面的評(píng)估。在建筑物上安裝該系統(tǒng)不能降低建筑物本身或者是周?chē)噜徑ㄖ锏娜照諛?biāo)準(zhǔn)；避免周?chē)h(huán)境景觀、綠化種植及建筑自身的構(gòu)件投影遮擋投射到光伏組件上的陽(yáng)光；避免光伏組件對(duì)建筑本身或者是周?chē)ㄖ锶后w的二次輻射造成光污染。

1.2建筑專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)要求

安裝光伏組件的建筑部位在冬至日全天日照應(yīng)不低于3h；并在安裝光伏組件的部位采取安全防護(hù)措施；滿足其所在部位的建筑防水、排水、雨水、隔熱及節(jié)能等功能要求。

除了以上技術(shù)要素之外，光伏建筑一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)另一至關(guān)重要是滿足建筑的美學(xué)要求，介紹如下兩點(diǎn)：（1）建筑物的光影效果，普通光伏組件一般為阻擋視線的布紋超白鋼化玻璃，現(xiàn)代建筑屋頂或外墻幕墻如安裝光伏組件，對(duì)采光會(huì)有一定的需求，此時(shí)可以采用光面超白鋼化玻璃，外加電池板背面的采用普通光面鋼化玻璃制作雙面玻璃組件（節(jié)約成本），即可滿足建筑物的功能。（2）光伏組件背面的接線盒及其連接線一般情況下采用明裝，容易破壞建筑物的整體協(xié)調(diào)感，光伏建筑一體化系統(tǒng)中一般將接線盒省去或隱藏起來(lái)，此時(shí)需考慮旁路二極管保護(hù)，可將旁路二極管和所有連接線隱藏在幕墻結(jié)構(gòu)中，同時(shí)需做好防雨水侵蝕和防曬措施。

1.3 結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)光伏建筑一體化系統(tǒng)的類(lèi)型，對(duì)光伏組件的安裝結(jié)構(gòu)、支撐光伏系統(tǒng)的主體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件及相關(guān)連接件進(jìn)行相應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)與工藝和建筑專(zhuān)業(yè)相配合，合理確定光伏組成部分在建筑中的位置。光伏建筑結(jié)構(gòu)荷載取值應(yīng)符合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2010）的規(guī)定。

2 光伏建筑一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程

2.1 光伏發(fā)電系統(tǒng)的分類(lèi)

太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)分類(lèi)如表1所示：

2.2光伏建筑一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則及步驟

光伏建筑一體化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在收集當(dāng)?shù)貧夂騾?shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑物的使用功能、電網(wǎng)條件、負(fù)荷性質(zhì)和系統(tǒng)運(yùn)行方式等因素，確定系統(tǒng)為安裝型、建材型或構(gòu)件型。 光伏組件的傾角、數(shù)量、安裝位置及陰影的設(shè)計(jì)要和建筑物設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，因其對(duì)光伏建筑一體化的外觀影響校大，應(yīng)盡量做到相互平衡、協(xié)調(diào)、一體化的設(shè)計(jì)。簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)之前收集當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能輻射以及溫度變化等氣象數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)太陽(yáng)能輻射量一般只有水平面的數(shù)據(jù)，需要根據(jù)理論計(jì)算換算出光伏板表面的實(shí)際輻射量。

（2）建筑設(shè)計(jì)和電力負(fù)荷的確定，決定光伏組件的類(lèi)型、規(guī)格、數(shù)量、安裝位置、安裝方式和可安裝面積的場(chǎng)地，同時(shí)光伏組件規(guī)格及安裝面積、安裝位置也決定了光伏系統(tǒng)的最大安裝容量。

（3）系統(tǒng)的直流匯線箱、逆變器、測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

3 光伏建筑一體化系統(tǒng)（BIPV）實(shí)例分析

以下通過(guò)介紹某綠色建筑項(xiàng)目中應(yīng)用光伏建筑一體化系統(tǒng)的一個(gè)案例，從系統(tǒng)原理、主要設(shè)備技術(shù)要求、設(shè)備安裝位置等方面進(jìn)一步闡述光伏建筑一體化系統(tǒng)在建筑電氣設(shè)計(jì)中的思路及技術(shù)要求。

3.1項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目為某住宅項(xiàng)目中的配套會(huì)所設(shè)施，會(huì)所總建筑面積5543.23m2，高16.7m，地下室二層，地上三層，主要功能為SPA房、游泳池、辦公區(qū)、模型展示區(qū)、娛樂(lè)室等。在設(shè)計(jì)階段中，業(yè)主要求該會(huì)所需達(dá)到國(guó)家綠色建筑三星、美國(guó)leed認(rèn)證的設(shè)計(jì)目標(biāo)。會(huì)所負(fù)一層設(shè)一臺(tái)500kVA專(zhuān)變變壓器，按照綠色建筑優(yōu)選項(xiàng)要求，發(fā)電量不低于建筑用電量的2%，太陽(yáng)能光伏發(fā)電量為10kW設(shè)計(jì)（基于成本考慮，業(yè)主決定按5kW設(shè)計(jì)），下面光伏建筑一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)均以5kW為設(shè)計(jì)值。

3.2會(huì)所光伏建筑一體化系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1所示。

3.3光伏建筑一體化系統(tǒng)概述

該項(xiàng)目所在地為廣東省江門(mén)市，地理位置位于東經(jīng)113.08°，北緯22.58°，年平均氣溫22.3℃，極端氣溫最高36.6℃，最低1.4℃，當(dāng)?shù)厮矫婺晏?yáng)輻射量約為1427.15kWh/m2。本方案設(shè)計(jì)選用單晶硅BIPV太陽(yáng)能電池雙玻組件，規(guī)格為1670mm×1100mm×50mm，單晶硅組件每塊功率為235Wp（96片），組件使用壽命不低于20年。組件防護(hù)等級(jí)不低于IP65，設(shè)計(jì)安裝總數(shù)量為24塊，光伏組件電池板面積為44.1m2，裝機(jī)總功率為5640Wp。本系統(tǒng)光伏組件采用可透光型BIPV雙玻組件，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀筚Y料安裝角度朝向?yàn)槟掀?5°，以建筑屋頂結(jié)構(gòu)的方式安裝在室外泳池旁休閑涼亭的結(jié)構(gòu)支架上，平鋪安裝的雙玻組件保證了建筑的美觀和休閑涼亭的采光效果，同時(shí)便于后期的運(yùn)營(yíng)維護(hù)。

會(huì)所光伏建筑一體化系統(tǒng)由光伏組件、直流匯線箱、逆變器、交流配電箱、 監(jiān)控系統(tǒng)、電纜和相關(guān)電氣材料等相關(guān)附件組成。該系統(tǒng)發(fā)電的電力并入會(huì)所值班室公共照明箱，在用戶(hù)側(cè)并網(wǎng)并實(shí)現(xiàn)即時(shí)發(fā)電即時(shí)消化，發(fā)電提供的電能不足時(shí)由市電自行補(bǔ)充。會(huì)所光伏建筑一體化系統(tǒng)室內(nèi)外設(shè)備安裝如圖2和圖3所示。

3.4光伏建筑一體化系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器技術(shù)要求

光伏建筑一體化系統(tǒng)中并網(wǎng)逆變器為其重要設(shè)備。本項(xiàng)目光伏系統(tǒng)采用低壓并網(wǎng)的方式運(yùn)行，光伏陣列產(chǎn)生的直流電流經(jīng)并網(wǎng)逆變器逆變變成交流電（系統(tǒng)選用小型組串型并網(wǎng)逆變器，安裝于值班室內(nèi)），交流電并入值班室內(nèi)的公共照明配電箱接入點(diǎn)。

并網(wǎng)逆變器需滿足以下主要技術(shù)要求：（1）內(nèi)置電網(wǎng)保護(hù)裝置，逆變器需具有同期控制功能：實(shí)時(shí)采集外部電網(wǎng)的電壓、相位信號(hào)，通過(guò)閉環(huán)控制，使得系統(tǒng)輸出電壓和相位與外部電網(wǎng)同步；（2）防孤島效應(yīng)功能：外部電網(wǎng)失電后，立即停止供電；電網(wǎng)恢復(fù)供電時(shí)，并網(wǎng)逆變器并不會(huì)立即投入運(yùn)行，而是需要持續(xù)檢測(cè)電網(wǎng)信號(hào)在一段時(shí)間內(nèi)完全正常（系統(tǒng)延時(shí)時(shí)間2～90s內(nèi)可調(diào)），才重新投入運(yùn)行；（3）最大功率跟蹤技術(shù)（MPPT），保證轉(zhuǎn)換效率始終工作在最佳狀態(tài)，當(dāng)日照強(qiáng)度和環(huán)境溫度變化時(shí)，光伏電池輸出電壓和電流呈非線性關(guān)系變化時(shí)，其輸出功率也隨之改變，逆變器可以調(diào)節(jié)光伏組件的發(fā)電電流與電壓，通過(guò)這種調(diào)節(jié)，使整個(gè)光伏系統(tǒng)始終保持在最大功率輸出等。

3.5光伏建筑一體化系統(tǒng)防雷設(shè)計(jì)

系統(tǒng)防雷主要分為防直擊雷和防感應(yīng)雷，防直擊雷設(shè)計(jì)：光伏組件的金屬支架及其它金屬構(gòu)件均與避雷帶或防雷引下線可靠連接；防感應(yīng)雷設(shè)計(jì)：在直流匯線箱及交流配電柜處安裝防雷保護(hù)裝置（直流匯線箱。

3.6光伏建筑一體化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光伏建筑一體化檢測(cè)系統(tǒng)主要由逆變器來(lái)實(shí)現(xiàn)，檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括采集日照、溫度、控制器及風(fēng)力傳感器等設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行情況，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)存在的問(wèn)題或故障并予以提示，方便維護(hù)人員集中管理所有逆變器及系統(tǒng)維護(hù)工作。

本項(xiàng)目在會(huì)所大門(mén)入口顯眼處安裝一個(gè)51寸大屏幕顯示器，可將光伏建筑一體化系統(tǒng)發(fā)電的相關(guān)信息直觀展示出來(lái)，諸如實(shí)時(shí)發(fā)電量、直流電流、直流電壓、交流電壓及電流、歷史發(fā)電量等，將發(fā)電量轉(zhuǎn)化為節(jié)能減排的數(shù)據(jù)，讓業(yè)主真切感受到光伏建筑一體化系統(tǒng)發(fā)電的節(jié)能減排效果。

4 光伏發(fā)電系統(tǒng)（BIPV）的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用前景

近年來(lái)，隨著中國(guó)綠色建筑的不斷發(fā)展，光伏建筑一體化系統(tǒng)建筑物不斷的涌現(xiàn)，但更多只是在地標(biāo)性工程或示范工程的應(yīng)用比較廣泛，如上海世博會(huì)主題館、高鐵上海虹橋站主站樓、深國(guó)際園林花卉博覽會(huì)等等。

與其它能源技術(shù)相比，太陽(yáng)能光伏發(fā)電是一種潔凈、可再生的發(fā)電形式，光伏發(fā)電的應(yīng)用將為子孫后代提供可持續(xù)發(fā)展的空間；此外，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的組件可在任何地方快速安裝，且無(wú)污染，完全干凈（蓄電池除外）。當(dāng)然，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)也存在一定局限性，如受地理分布、季節(jié)變化及晝夜交替的天氣、建筑成本及造價(jià)等因素影響；但光伏發(fā)電并未市場(chǎng)化原因，筆者認(rèn)為其主要制約因素還是建筑成本較高而使開(kāi)發(fā)商放棄使用。但隨著國(guó)內(nèi)光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)模逐步擴(kuò)大、技術(shù)逐步提升，光伏發(fā)電系統(tǒng)成本也在逐步下降；同時(shí)中國(guó)政府也就并網(wǎng)、電量收購(gòu)、補(bǔ)貼、土地政策逐一細(xì)化，為分布式光伏項(xiàng)目、電站投資開(kāi)發(fā)提供了多重保障，新能源產(chǎn)業(yè)也已上升為國(guó)家戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，未來(lái)五到十年中國(guó)光伏發(fā)電有望規(guī)模化發(fā)展。

篇2

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能路燈；原理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)；研究現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)

收稿日期：2011-04-18

基金項(xiàng)目：西南交通大學(xué)SRTP基金項(xiàng)目資助

作者簡(jiǎn)介：扈志遠(yuǎn)（1987―），男，甘肅甘南人，西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專(zhuān)業(yè)碩士研究生。

中圖分類(lèi)號(hào)：IM914 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2011）05-0195-04

1 引言

在當(dāng)今能源短缺的情況下,各國(guó)都加緊了發(fā)展光伏的步伐,美國(guó)提出“太陽(yáng)能先導(dǎo)計(jì)劃”意在降低太陽(yáng)能光伏發(fā)電的成本,將在2015年達(dá)到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)的水平；日本也提出了在2020年達(dá)到28GW的光伏發(fā)電總量的計(jì)劃；歐洲光伏協(xié)會(huì)提出了“setfor2020”規(guī)劃,預(yù)計(jì)在2020年讓光伏發(fā)電達(dá)到商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)。在發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下,各國(guó)政府對(duì)光伏發(fā)電的認(rèn)可度逐漸提高［1］。太陽(yáng)能路燈作為一種光伏發(fā)電應(yīng)用的產(chǎn)品,具有諸多優(yōu)點(diǎn),因此近10年來(lái)對(duì)它的研究呈現(xiàn)出一種欣欣向榮的局面。

2 太陽(yáng)能路燈發(fā)展歷程與國(guó)內(nèi)外研究的現(xiàn)狀

1839年法國(guó)學(xué)者貝克勒爾發(fā)現(xiàn)光伏效應(yīng),1954年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的3位科學(xué)家首次制成實(shí)用的單晶硅太陽(yáng)能電池。1958年我國(guó)開(kāi)始研究太陽(yáng)能電池并于1971年首次將光伏電池成功應(yīng)用于東方紅2號(hào)衛(wèi)星。1973年,各國(guó)開(kāi)始太陽(yáng)能電池地面應(yīng)用研究。20世紀(jì)70年代初太陽(yáng)能電池被使用在航標(biāo)燈上［2］。國(guó)內(nèi)最早報(bào)道太陽(yáng)能的論文是黃一心的《太陽(yáng)能路燈》,其給出了太陽(yáng)能路燈的結(jié)構(gòu)圖［3］。從20世紀(jì)70年代初到80年代末,由于成本高,太陽(yáng)能電池在地面的應(yīng)用非常有限。90年代以后,隨著成本的降低,太陽(yáng)能電池向工業(yè)領(lǐng)域和農(nóng)村電氣化應(yīng)用方面發(fā)展。隨著太陽(yáng)能路燈被研發(fā)成功后,市場(chǎng)應(yīng)用穩(wěn)步擴(kuò)大,國(guó)家和地方政府開(kāi)始制訂光伏計(jì)劃。2002年,國(guó)家發(fā)改委啟動(dòng)了“送電到鄉(xiāng)”項(xiàng)目,使得中國(guó)的光伏市場(chǎng)迅速發(fā)展起來(lái),總裝機(jī)容量從2001年的23 500kW迅速增長(zhǎng)到2002年的45 000kW,至2003年達(dá)到55 000kW。2003～2005年,受德國(guó)巨大的市場(chǎng)需求影響,國(guó)內(nèi)光伏企業(yè)產(chǎn)能迅速擴(kuò)展,產(chǎn)量迅速增長(zhǎng)［4,5］。2009年提出了《太陽(yáng)能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》、金太陽(yáng)示范工程等鼓勵(lì)光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策,2020年的光伏發(fā)電目標(biāo)將從原先的1.6GW提高到現(xiàn)在的20GW,一系列的政策支持和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃讓中國(guó)的光伏發(fā)電之路更加寬廣。

在光伏發(fā)電的應(yīng)用和安裝方面,德、日、美依然是世界上3個(gè)最主要的光伏應(yīng)用市場(chǎng)。2005年全球安裝太陽(yáng)電池組件1 460MW,比前一年增長(zhǎng)了34%。德國(guó)安裝了837MW,比前一年增長(zhǎng)了53%；占世界安裝量的57%；日本安裝了292MW,比前一年增長(zhǎng)了14%,占世界安裝量的20%；美國(guó)安裝了102MW,占世界安裝量的7%；歐洲其它地區(qū)安裝了88MW,占世界安裝量的6%；世界其它地區(qū)安裝了146MW,占世界安裝量的10%［6］。

3 太陽(yáng)能路燈結(jié)構(gòu)組成與工作原理

3.1 太陽(yáng)能路燈結(jié)構(gòu)組成

太陽(yáng)能路燈主要是由太陽(yáng)能電池板組件、太陽(yáng)能蓄電池組、路燈控制器、光源以及燈房燈桿等構(gòu)成。當(dāng)輸出電源為交流 220V 或110V,還要配置逆變器，其結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1。

太陽(yáng)能電池板是太陽(yáng)能路燈中的核心部分,有單晶硅太陽(yáng)能電池、多晶硅太陽(yáng)能電池及非晶硅太陽(yáng)能電池等3種。在太陽(yáng)光充足的東西部地區(qū),采用多晶硅太陽(yáng)能電池為好,因?yàn)槎嗑Ч杼?yáng)能電池生產(chǎn)工藝相對(duì)簡(jiǎn)單,價(jià)格較低。在陰雨天比較多、陽(yáng)光相對(duì)不足的南方地區(qū),采用單晶硅太陽(yáng)能電池為好,因單晶硅太陽(yáng)能電池性能參數(shù)比較穩(wěn)定。而非晶硅太陽(yáng)能電池一般應(yīng)用在室外陽(yáng)光不足的條件下,原因是非晶硅太陽(yáng)能電池對(duì)太陽(yáng)光照條件要求比較低。蓄電池適用于獨(dú)立光伏系統(tǒng),包括鉛酸、鎳鎘、鎳氫、充電式堿性、鋰離子、鋰高分子和氧化還原蓄電池。但被應(yīng)用于太陽(yáng)能路燈的蓄電池則主要有鉛酸蓄電池、鎳鎘蓄電池以及大型電容器。蓄電池應(yīng)與太陽(yáng)能電池、用電負(fù)荷（路燈）相匹配?？捎靡环N簡(jiǎn)單方法確定它們之間的關(guān)系：太陽(yáng)能電池功率必須比負(fù)載功率高出 4 倍以上,系統(tǒng)才能正常工作。太陽(yáng)能電池的電壓要超過(guò)蓄電池的工作電壓 20%～30%,才能保證給蓄電池正常充電。蓄電池容量必須比負(fù)載日耗量高 6 倍以上為宜［7］。大型電容器是一種新型的儲(chǔ)能元件,這種元件能夠擁有數(shù)千法的電容量,性能好,充電時(shí)間短。由于超級(jí)電容對(duì)環(huán)境污染少,內(nèi)阻低,可長(zhǎng)期循環(huán)使用。所以是目前國(guó)內(nèi)外最被看好的蓄電設(shè)備。

光源控制器有多種，包括聲控、光控、定時(shí)控制等。太陽(yáng)能路燈的控制形式主要有光控開(kāi)――光控關(guān)、光控開(kāi)――時(shí)控關(guān)、時(shí)控開(kāi)――時(shí)控關(guān)。為了延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命,必須對(duì)它的充電放電條件加以限制,防止蓄電池過(guò)充電及深度充電。在溫差較大的地方,合格的控制器還應(yīng)具備溫度補(bǔ)償功能。此外,可以考慮使太陽(yáng)能電池板對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行追蹤,根據(jù)季節(jié)、地理位置、1d中太陽(yáng)強(qiáng)度的變化等來(lái)整合控制器,提高太陽(yáng)能電池板的接收效率。

目前,市場(chǎng)上的主要光源有白熾燈、鹵鎢燈、熒光燈、緊湊型熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈、金屬鹵化物燈、陶瓷金屬鹵化物燈、霓虹燈、LED燈、無(wú)極燈等［8］，見(jiàn)表1。

表1 各光源性能參數(shù)表

燈房的設(shè)計(jì)除了要考慮此燈房的大小是否能放下相關(guān)的器件外還要考慮燈房是否夠結(jié)實(shí)；燈房是否能夠及時(shí)驅(qū)散光源和各電氣部件散發(fā)出來(lái)的熱量；燈房是否達(dá)到密封等級(jí),能夠防止外界環(huán)境的破壞等。燈桿設(shè)計(jì)時(shí)一般考慮材料、燈桿的高度（應(yīng)根據(jù)道路的寬度、燈具的間距、道路的照度標(biāo)準(zhǔn)確定）、支架中心、可調(diào)節(jié)性等因素。

3.2 太陽(yáng)能路燈工作原理

白天,在光照條件下,太陽(yáng)能電池組件產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì),通過(guò)組件的串并聯(lián)形成太陽(yáng)能電池方陣,使得方陣電壓達(dá)到系統(tǒng)輸入電壓的要求,經(jīng)過(guò)太陽(yáng)能路燈專(zhuān)用控制器對(duì)蓄電池充電,并將電能儲(chǔ)存在蓄電池中。蓄電池充電到一定程度時(shí),控制器內(nèi)的自保系統(tǒng)動(dòng)作,切斷充電電源。晚上,光照度逐漸降低至一定值后,太陽(yáng)能電池板的開(kāi)路電壓降低,當(dāng)控制器檢測(cè)到這一電壓值后,通過(guò)逆變器的作用把直流電轉(zhuǎn)換為交流電,使得蓄電池對(duì)發(fā)光體放電。當(dāng)蓄電池的電能消耗到一定值后,控制器再次工作控制蓄電池不被過(guò)放電,使得蓄電池的放電結(jié)束,構(gòu)成一個(gè)循環(huán)系統(tǒng)來(lái)為路燈供電。

4 太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則與安裝要求

太陽(yáng)能路燈系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)關(guān)系到系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性?xún)纱笠蛩?要求太陽(yáng)能電池發(fā)電量和負(fù)載耗電量配比合理；耗電量和蓄電池容量配比應(yīng)滿足持續(xù)陰雨天數(shù)要求且放電深度合理；太陽(yáng)能電池充電電流和蓄電池容量配比合理；負(fù)載放電電流與蓄電池容量配比合理。按電荷分布可分為光伏發(fā)電,蓄電池蓄電,燈具耗電3個(gè)步驟,這3個(gè)步驟中光伏發(fā)電隨著一年日照量的變化而變化,自然蓄電池的蓄電量也是變化的,而燈具由于控制器的設(shè)定耗電是固定的,這就必然會(huì)造成有些時(shí)候路燈無(wú)法正常工作。所以進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首先計(jì)算太陽(yáng)能電池板組件容量、蓄電池容量、燈具負(fù)荷以解決選型問(wèn)題。

太陽(yáng)能電池板組件容量設(shè)計(jì)需因地制宜,根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀髼l件和地理位置等外界因素來(lái)設(shè)計(jì)。需要的基本數(shù)據(jù)主要有現(xiàn)場(chǎng)的地理位置,包括地點(diǎn)、緯度、經(jīng)度和海拔高度等；安裝地點(diǎn)的氣象資料,包括逐月的太陽(yáng)能總輻射量、直接輻射量及散輻射量,年平均氣溫和最高、最低氣溫。此外,還要考慮到負(fù)載和蓄電池的匹配。我國(guó)太陽(yáng)能資源可分為5個(gè)地區(qū)［8］,應(yīng)當(dāng)考慮地區(qū)間的差異。具體對(duì)電池板串并聯(lián)后峰值功率與容量的計(jì)算方法,文獻(xiàn)中方法各異［9,10,11］,有些則直接根據(jù)負(fù)載需求來(lái)計(jì)算［10］,有些將日平均輻射量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)光照強(qiáng)度下的日平均輻射時(shí)數(shù)［11］。筆者認(rèn)為應(yīng)根據(jù)太陽(yáng)能電池板實(shí)際接收到的太陽(yáng)能輻射量情況來(lái)計(jì)算容量,這個(gè)過(guò)程要考慮地理氣候因素,也要考慮實(shí)際安裝及安裝后的一些情況,如傾角、熱島效應(yīng)、太陽(yáng)能電池板折舊、轉(zhuǎn)換效率等。此外需保證太陽(yáng)能電池的工作電壓約為蓄電池電壓的1.5倍,才能保證給蓄電池正常充電。對(duì)于蓄電池選型,一般按照常用的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算［11］。與文獻(xiàn)中具體計(jì)算方法基本相同。即考慮負(fù)載每天需要蓄電池提供的電量、連續(xù)陰雨天數(shù)、蓄電池放電效率的修正系數(shù)、蓄電池放電深度、蓄電池額定電壓、效率等。

光源負(fù)載設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮道路照明標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)《城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,城市道路照明設(shè)計(jì)有明確的照度要求,只有這樣才能確保城市道路照明能為車(chē)輛駕駛?cè)藛T以及行人創(chuàng)造良好的視看環(huán)境,達(dá)到保障交通安全，要求見(jiàn)表2。

表2 城市道路照明設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

式中嘉光源的總光通量;N為路燈布置取值;當(dāng)路燈為相對(duì)矩形排列布置時(shí)取2,當(dāng)單側(cè)和交錯(cuò)布置時(shí)取1；U為利用系數(shù)；K為維護(hù)系數(shù)；S為燈桿間距；W為路面寬度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮光源的壽命、每天工作時(shí)間、地理氣候差異、路燈布置方案等。使用 LED 光源時(shí)還要考慮散熱問(wèn)題、大功率 LED燈具必須要有恒流驅(qū)動(dòng)裝置等問(wèn)題［12］。

此外,要選擇充電效率高的控制器,具有MCT充電模式的控制器能自動(dòng)追蹤電池板的最大電流,尤其在冬季或光照不足的時(shí)期,MCT充電模式比其他高出20%左右的效率。應(yīng)選擇具有兩路調(diào)節(jié)功率的控制器,具有功率調(diào)節(jié)的控制器已被廣泛推廣,在夜間行人稀少時(shí)段可以自動(dòng)關(guān)閉一路或兩路照明,節(jié)約用電,還可以征對(duì)LED燈進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。

根據(jù)設(shè)計(jì)原則選定太陽(yáng)能電池板、蓄電池、光源后,在具體安裝時(shí)要考慮太陽(yáng)能電池板安裝最佳傾角、燈桿防風(fēng)強(qiáng)度要求、為保護(hù)蓄電池是否需要防雷限制電壓、路燈安裝高度等問(wèn)題。安裝的基本要求是保證組件為正南朝向、燈具方向與道路橫軸一致、燈桿垂直。電氣質(zhì)量的關(guān)鍵在于導(dǎo)線連接,組件接線盒、燈具、蓄電池到控制器的連接導(dǎo)線,除非接入端子,只要線與線對(duì)接都必須加錫焊接,或用銅線管壓接,再用熱縮管密封防護(hù),這樣才能降低連接電阻,避免接頭氧化增加線路損耗。路燈控制器安裝時(shí),端子或?qū)Ь€方向朝下,上端掛接,避免內(nèi)部漏水時(shí)導(dǎo)致電器故障。電池端子連接時(shí)涂導(dǎo)電膏后用銅鼻子固定,螺絲擰緊后加環(huán)氧樹(shù)脂密封,以防止氧化腐蝕［12］。

5 太陽(yáng)能路燈優(yōu)點(diǎn)、不足及發(fā)展趨勢(shì)

5.1 太陽(yáng)能路燈優(yōu)點(diǎn)

太陽(yáng)能路燈主要優(yōu)點(diǎn)包括：①節(jié)能，太陽(yáng)能路燈是利用自然界的自然光源,減少了電能的消耗；②安全，市電照明路燈可能存在著由于施工質(zhì)量、材料老化、供電失常等多方面的原因造成的安全隱患。而太陽(yáng)能路燈不使用交流電,采用的是蓄電池吸收太陽(yáng)能,把低壓直流轉(zhuǎn)化為光能,不存在安全隱患；③環(huán)保，太陽(yáng)能路燈無(wú)污染、無(wú)輻射,符合現(xiàn)代綠色環(huán)保觀念；④高科技含量，太陽(yáng)能路燈采用智能控制器進(jìn)行控制,可以根據(jù)1d內(nèi)天空自然亮度和人們處于各種環(huán)境下需要的亮度來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)燈的亮度；⑤耐用，目前絕大多數(shù)太陽(yáng)能電池組件的生產(chǎn)技術(shù),都足以保證10年以上性能不下降,太陽(yáng)能電池組件可以發(fā)電25年或更長(zhǎng)的時(shí)間；⑥維護(hù)費(fèi)用低，在遠(yuǎn)離城鎮(zhèn)的邊遠(yuǎn)地區(qū),為了維護(hù)或修理常規(guī)發(fā)電、輸電、路燈等設(shè)備的費(fèi)用很高。太陽(yáng)能路燈只需要周期性的檢查和很少的維護(hù)工作量,其維護(hù)費(fèi)用比常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)要少；⑦安裝組件積木化，安裝靈活方便,便于用戶(hù)根據(jù)自己的需要選擇和調(diào)整太陽(yáng)能路燈的容量大??；⑧自主供電，離網(wǎng)運(yùn)行的太陽(yáng)能路燈具有供電的自主性、靈活性。

5.2 太陽(yáng)能路燈的不足

成本高,太陽(yáng)能路燈初期投資大,一盞太陽(yáng)能路燈總成本是相同功率常規(guī)路燈的3.4倍［13］;能量轉(zhuǎn)換效率低,太陽(yáng)能光伏電池的轉(zhuǎn)換效率約為15%～19%,理論上硅太陽(yáng)能電池的轉(zhuǎn)換效率可達(dá)25%,但在實(shí)際安裝后,可能因周?chē)ㄖ镒钃踉斐尚式档?。目?太陽(yáng)電池的面積為110W/m2,1kW的太陽(yáng)電池的面積大約9m2,這么大的面積幾乎不可能在燈桿上固定［14］,所以對(duì)于快速路、主干道依然不適用;受地理氣候條件影響大,由于依靠太陽(yáng)來(lái)提供能量,當(dāng)?shù)氐牡乩須夂蛱鞖鉅顩r直接影響到路燈的使用。陰雨天過(guò)長(zhǎng)就會(huì)影響亮燈,導(dǎo)致照度或亮度達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的要求,甚至出現(xiàn)不亮燈,成都黃龍溪地區(qū)的太陽(yáng)能路燈則因白天光照不足,導(dǎo)致晚上亮的時(shí)間太短;元器件使用壽命和性?xún)r(jià)比低。蓄電池和控制器的價(jià)格較高,且蓄電池不夠耐用,必須定期更換,控制器的使用壽命一般也只有3年;可靠性低。由于受到氣候等外界因素影響太大,導(dǎo)致可靠性降低。深圳濱海大道上的太陽(yáng)能路燈則有80%都不能單獨(dú)依靠太陽(yáng)光,與重慶大足縣迎賓大道相同,均采用了市電雙電源供電方式;管理維修困難。太陽(yáng)能路燈的維護(hù)困難,電池板電池板的熱島效應(yīng)質(zhì)量無(wú)法控制檢測(cè),壽命周期得不到保證,且無(wú)法統(tǒng)一進(jìn)行控制管理?？赡艹霈F(xiàn)不同時(shí)照明情況;光照范圍窄,目前所應(yīng)用的太陽(yáng)能路燈經(jīng)中國(guó)市政工程協(xié)會(huì)考察并經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定,一般照度范圍為6～7m,超出7m以外就會(huì)昏暗不清,無(wú)法滿足快速路、主干道的需要;太陽(yáng)能路燈照明尚未建立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn);環(huán)保防盜問(wèn)題,蓄電池處理不當(dāng)可能造成環(huán)保問(wèn)題。此外,防盜也是一大問(wèn)題。

5.3 太陽(yáng)能路燈發(fā)展趨勢(shì)

提高太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)換效率,在電池板材料的研制方面,在傳統(tǒng)的3種電池板的基礎(chǔ)上,改進(jìn)其工作能力。以減小電池板體積,提供更大功率,降低電池板價(jià)格;對(duì)路燈控制器的改進(jìn),如采用單片機(jī)智能控制、網(wǎng)絡(luò)化智能控制全部路燈的啟閉,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理［15］。文獻(xiàn)中亦有報(bào)道采用單片機(jī)模式和模擬電路模式;蓄電池的改進(jìn),采用超級(jí)電容［16,17］,提高蓄電池的壽命、降低成本,減小環(huán)境污染。對(duì)常規(guī)蓄電池的溫度修正等改進(jìn);采用雙電源供電系統(tǒng)［18］,這樣可以在快速路、主干道上使用,并提高可靠性;光源的改進(jìn),主要是采用新型LED燈具,降低功耗,提高照度、亮度;實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)追蹤太陽(yáng)光,最大限度地提高太陽(yáng)能的吸收利用率,目前這方面的研究較多［19］;充分利用風(fēng)能,目前已有很多這方面產(chǎn)品,如何做到二者合理匹配至關(guān)重要;太陽(yáng)能路燈的整體管理控制,采用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng),利用無(wú)線控制等方式,對(duì)所有太陽(yáng)能路燈實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理、操作,實(shí)現(xiàn)智能化管理;規(guī)范產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、提高產(chǎn)品質(zhì)量、實(shí)現(xiàn)光伏照明設(shè)計(jì)和產(chǎn)品系列化。制定太陽(yáng)能產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢側(cè)系統(tǒng),形成產(chǎn)品系列,提高產(chǎn)品質(zhì)量。使各地區(qū)太陽(yáng)能路燈、草坪燈等設(shè)計(jì)和產(chǎn)品規(guī)格化,系列化,省去復(fù)雜的計(jì)算和選型,以便因地制宜安裝城市太陽(yáng)能路燈;制定太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)是新生事物,太陽(yáng)能電池選擇、蓄電池選擇、抗風(fēng)計(jì)算等應(yīng)盡快制定標(biāo)準(zhǔn),以利提高太陽(yáng)能路燈設(shè)計(jì)水平,促進(jìn)太陽(yáng)能照明發(fā)展;防盜,進(jìn)一步完善蓄電池等防盜措施等。

6 結(jié)語(yǔ)

盡管太陽(yáng)能路燈依然有許多不足與技術(shù)缺陷,但隨著低碳經(jīng)濟(jì)的到來(lái),各國(guó)都十分重視太陽(yáng)能的利用。據(jù)科學(xué)家的保守估計(jì),在未來(lái)10幾年里,太陽(yáng)能電池的效率將達(dá)到20%,同時(shí)價(jià)格將下降近一半,相關(guān)的配套光源及設(shè)備的壽命也將大幅提高,控制也將越來(lái)越科學(xué),維護(hù)也將進(jìn)一步簡(jiǎn)化,太陽(yáng)能將被更深度、更廣泛地利用。我們將與同行業(yè)人士一起探討,共同推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展,為我國(guó)的節(jié)能減排事業(yè)出一份力。

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Review of Application of Solar Street Lights

Hu Zhiyuan,Wang Song,Wang Xiaoyang,He Bin,Ran Shaobo

（National Experimental Teaching Demonstration Center of Basic Machinery at

Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031，China）

篇3

關(guān)鍵詞:單片機(jī); 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng); 光學(xué)傳感器; 步進(jìn)電機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào):TN820; TP275文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)15-0157-03

Research of Sun Auto-tracking System Based on SCM

DU Yun-feng1,2

(1. College of Electric and Information Engineering, Hunan University of Arts and Science, Changde 415000, China;

2. School of Automation Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Abstract: It is necessary to perform the sun auto-tracking for improving the conversion efficiency of solar photovoltaic systems. A kind of sun auto-tracking system based on AT89C51 single chip microcomputer(SCM) was designed. The program control is adopted to automatically position and correct the solar panels by optical sensors.,In the system, the stepping motor is controlled by SCM. The results of theoretical analysis and design indicate that the automatic tracking of the sun can greatly increase the utilization of solar energy. The system is cheap and reliable, and possesses great practicability.

Keywords: single chip microcomputer; sun auto-tracking system; optical sensor; stepping motor

0 引 言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人類(lèi)所面臨的能源問(wèn)題越來(lái)越突出,太陽(yáng)能作為一種清潔能源,無(wú)疑受到各國(guó)的普遍重視[1-3]。在相同條件下,光照強(qiáng)度越大,太陽(yáng)能電池輸出功率越大。因而增大太陽(yáng)能電池受光面的光照強(qiáng)度,就可增大太陽(yáng)能電池輸出功率。除了提高太陽(yáng)光電池本身的轉(zhuǎn)換效應(yīng)和提高蓄電池充放電效應(yīng)外,對(duì)太陽(yáng)的自動(dòng)跟蹤是太陽(yáng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中另一種提高轉(zhuǎn)換效率的有效手段。因此,在太陽(yáng)能的利用過(guò)程中,實(shí)施太陽(yáng)跟蹤是很有必要的[4-5]。

對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行跟蹤的方法很多,但不外乎為采用確定太陽(yáng)位置所用的兩種坐標(biāo)系統(tǒng),即赤道坐標(biāo)系和地平坐標(biāo)系,并分為雙軸跟蹤和單軸跟蹤。單軸跟蹤已在很多文獻(xiàn)作了介紹,本文要討論的為雙軸跟蹤。為了敘述方便,在以后的陳述中將兩種坐標(biāo)系下的整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)稱(chēng)為太陽(yáng)能板。

本文采用在地平坐標(biāo)系下的太陽(yáng)跟蹤及程序跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的控制方式,即采用程序控制,利用光學(xué)傳感器對(duì)太陽(yáng)能板做自動(dòng)定位和誤差校正,而通過(guò)單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)利用時(shí)鐘提供的日期和時(shí)間,計(jì)算出太陽(yáng)能板的預(yù)期位置,與編碼器提供的當(dāng)前位置比較,輸出控制信號(hào)。驅(qū)動(dòng)裝置根據(jù)單片機(jī)提供的信號(hào)控制俯仰角電機(jī)和方位角電機(jī)使太陽(yáng)能板運(yùn)行至太陽(yáng)垂直照射點(diǎn),從而進(jìn)行跟蹤。傳感器在太陽(yáng)能板位置出現(xiàn)誤差時(shí)進(jìn)行校正。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由時(shí)鐘、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、編碼器、太陽(yáng)能板和傳感器6部分組成。系統(tǒng)的核心部件是傳感器和單片機(jī)。太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1。

圖1 太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)原理圖

1.1 智能單元與雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)

本文的控制系統(tǒng)選用了AT89C51單片機(jī)作為智能單元。AT89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)。片內(nèi)帶有一個(gè)4 KB的FLASH可編程、可擦除只讀存儲(chǔ)器[6-10]。文中所述系統(tǒng)為地平坐標(biāo)系的雙軸自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng),因此采用雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制,雙坐標(biāo)步進(jìn)電機(jī)控制就是在x軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī),在y軸方向控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。這2臺(tái)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)驅(qū)動(dòng)同一個(gè)對(duì)象,使對(duì)象在一個(gè)平面上以任意曲線運(yùn)動(dòng)。二維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)原理如圖2所示。AT89C51單片機(jī)通過(guò)P2口輸出控制脈沖信號(hào),P2.0～P2.3為一路,P2.4～P2.7為一路,分兩路各控制1臺(tái)步進(jìn)電機(jī)。P3.2～P3.5設(shè)置為行程保護(hù)開(kāi)關(guān),作二維步進(jìn)電機(jī)正反向最大行程保護(hù)。功率放大電路中采用74LS05將單片機(jī)P2口脈沖信號(hào)進(jìn)行放大,經(jīng)9014控制光電耦合器,隔離后,由功率管DK63驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的各相繞組,圖中L11,L12即為步進(jìn)電機(jī)的各相線圈。

圖2 二維步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖

1.2 光電傳感器

本控制系統(tǒng)中所采用光電傳感器為6塊相同的硅光電池,其中4塊用來(lái)制作四象限硅光電池,進(jìn)行誤差校正。2塊作為判斷光照強(qiáng)弱的信號(hào)輸出傳感器。

太陽(yáng)跟蹤傳感器是本系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。為了保證太陽(yáng)能板的受光面始終與太陽(yáng)光線保持垂直而不發(fā)生偏離,采用特制的四象限硅光電池作為太陽(yáng)跟蹤誤差校正用傳感器。

如圖3所示為四象限跟蹤太陽(yáng)傳感器原理圖。當(dāng)光軸對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí),光斑的中心在光軸上。四個(gè)象限接收到相同的光功率,輸出相同的電壓信號(hào)。當(dāng)光軸未對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)時(shí)即太陽(yáng)光與光軸成一角度θ時(shí),光線經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)照射到四象限光電池上形成的光斑必然發(fā)生偏移即(x≠0,y≠0)。由于各象限的光功率與各象限的光斑面積成正比,每個(gè)象限被光斑覆蓋的面積不同,因此各象限光電池產(chǎn)生的電壓不盡相同。根據(jù)上述將Vx,Vy進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后送入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)設(shè)備可控制俯仰角電機(jī)和方位角電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),直到Vx=Vy=0,即x=0,y=0,則表明系統(tǒng)光軸已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng),根據(jù)以上原理即可對(duì)太陽(yáng)能板位置誤差進(jìn)行校正。

判斷光強(qiáng)信號(hào)傳感器由兩塊光電池組成,一塊接受太陽(yáng)輻射,另外一塊受光面背光。如圖4所示,前一塊光電池的作用是:判斷太陽(yáng)直射輻射的強(qiáng)度,在直射輻射較弱時(shí)不啟動(dòng)跟蹤程序,從而避免多云天氣的盲目跟蹤。后一塊光電池的作用是當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間陰天或多云轉(zhuǎn)晴后太陽(yáng)重新出現(xiàn)時(shí),判斷太陽(yáng)直射輻射的強(qiáng)度,來(lái)決定是否啟動(dòng)跟蹤程序。

圖3 太陽(yáng)跟蹤傳感器工作原理圖

圖4 判斷光強(qiáng)信號(hào)傳感器

1.3 采樣保持與A/D轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)選用的A/D轉(zhuǎn)換為MAXIM公司生產(chǎn)的MAX186轉(zhuǎn)換器,是串行輸出CMOS芯片。其轉(zhuǎn)換速度快,精度高,耗電省,接線簡(jiǎn)單,適用于各種儀器儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集。MAX186轉(zhuǎn)換器自帶有采樣保持器,因而系統(tǒng)不再設(shè)計(jì)采樣保持電路。而且與AT89C51為串行連接,接口電路如圖5所示。

圖5 AT89C51與MAX186接口電路圖

1.4 時(shí)鐘芯片DS1302

DS1302與AT89C51單片機(jī)接口采用3線(RST,SCLK和I/O)連接,AT89C51為主芯片負(fù)責(zé)控制2芯片之間的數(shù)據(jù)通訊。RST為數(shù)據(jù)通訊的使能信號(hào),為0則允許通訊;為1則禁止通訊。SCLK為數(shù)據(jù)通訊的位同步脈沖信號(hào),I/O是雙向串行數(shù)據(jù)傳輸線。RST,SCLK都是單片機(jī)發(fā)出的控制信號(hào),如圖6所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文介紹的控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化、模塊化的程序設(shè)計(jì)方法。主程序初始化完畢之后,即進(jìn)入等待狀態(tài),單片機(jī)控制運(yùn)行交由中斷服務(wù)程序控制。所需完成的功能主要由子模塊實(shí)現(xiàn)。各部分獨(dú)立完成┮歡í的功能,又有機(jī)的結(jié)合為一個(gè)整體,完成所要求的控制任務(wù)。

圖6 DS1302與單片機(jī)的接口電路

程序的結(jié)構(gòu)如圖7所示。主程序包括初始化、最初的A/D轉(zhuǎn)換程序。整個(gè)程序周期里,初始化程序只在主程序第一次執(zhí)行時(shí)執(zhí)行一次。初始化之后,進(jìn)行最初A/D轉(zhuǎn)換,實(shí)際上等于對(duì)A/D轉(zhuǎn)換濾波器置初始值。

圖7 程序結(jié)構(gòu)圖

2.1 定時(shí)器1溢出中斷服務(wù)程序

定時(shí)器1溢出中斷服務(wù)程序包含多個(gè)模塊,先后在一個(gè)T1溢出周期內(nèi)執(zhí)行完畢。這些模塊包括:控制算法、控制量輸出、A/D轉(zhuǎn)換、轉(zhuǎn)換結(jié)果處理和分析、異常處理等部分。通過(guò)每次T1溢出,周期性的采樣、反饋比較、調(diào)整、輸出,從而實(shí)現(xiàn)控制策略。

2.2 控制算法

編制控制算法子程序包括以下幾個(gè)步驟:計(jì)算當(dāng)前期望位置;計(jì)算補(bǔ)償通道輸出值;計(jì)算當(dāng)前實(shí)際位置;計(jì)算誤差和誤差通道輸出值;補(bǔ)償通道輸出值和誤差通道輸出值相加。

2.3 控制量輸出

單片機(jī)輸出的控制量為脈沖輸出,脈沖量的輸出可以通過(guò)軟件定時(shí)器,規(guī)定脈沖輸出的間隔時(shí)間,從而規(guī)定了脈沖輸出的頻率。

2.4 A/D轉(zhuǎn)換及其轉(zhuǎn)換結(jié)果處理和分析

雖然硬件上對(duì)模擬輸入進(jìn)行了低通濾波,但是仍然會(huì)有一些因素可能造成模擬輸入量出現(xiàn)較大的誤差。為了防止這種情況的發(fā)生,需要進(jìn)行軟件濾波,即數(shù)字濾波處理。數(shù)字濾波有許多優(yōu)點(diǎn):

(1) 數(shù)字濾波器是由程序?qū)崿F(xiàn)的,不需增加硬件設(shè)備,數(shù)字濾波可以有多個(gè)輸入通道共用,因而成本低。

(2) 數(shù)字濾波由程序?qū)崿F(xiàn),不需要硬件設(shè)備,因而可靠性好,穩(wěn)定性高,不存在阻抗匹配問(wèn)題。

(3) 數(shù)字濾波使用靈活,修改方便。

而本文采用了算術(shù)平均值濾波方法。

2.5 異常處理

程序運(yùn)行中會(huì)發(fā)生多種異常情況,有些可以通過(guò)檢查輸入數(shù)據(jù)判斷,而有一些情況系統(tǒng)可以自行校正。

光電傳感器誤差信號(hào)超出死區(qū)也應(yīng)視為異常情況?？赡艿脑蚴浅霈F(xiàn)了一干擾光源或太陽(yáng)能板與太陽(yáng)位置發(fā)生偏離。為了避免在多云情況下的盲目跟蹤,如果輻射強(qiáng)度沒(méi)有達(dá)到特定值,則對(duì)于誤差信號(hào)超出死區(qū)不作任何操作。太陽(yáng)能板與太陽(yáng)位置發(fā)生偏離的情況下,系統(tǒng)有能力自動(dòng)的回復(fù)運(yùn)行狀態(tài)。

在每次定時(shí)器T1中斷時(shí),系統(tǒng)都檢查控制字。當(dāng)控制字表明系統(tǒng)在校正狀態(tài)時(shí),輸出控制量的值由預(yù)期位置量和光電傳感器誤差信號(hào)共同計(jì)算產(chǎn)生。

3 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)采用特制的四象限硅光電池作為太陽(yáng)跟蹤誤差校正用傳感器,并且采用AT89C51單片機(jī)作為智能單元,可以實(shí)現(xiàn)成本較低的全自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)。系統(tǒng)具備較好的穩(wěn)定性,并能夠達(dá)到相當(dāng)好的精確度和靈活性。理論分析和設(shè)計(jì)結(jié)果表明,本方法可以滿足太陽(yáng)跟蹤控制的要求。

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篇4

關(guān)鍵詞：電力仿真軟件；電力電子技術(shù)；仿真效果；軟件選擇

作者簡(jiǎn)介：馮興田（1978-），男，山東廣饒人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院，講師；王艷松（1965-），女，山東蓬萊人，中國(guó)石油大學(xué)（華東）信息與控制工程學(xué)院電氣工程系主任，教授。（山東 青島 266580）

基金項(xiàng)目：本文系中國(guó)石油大學(xué)（華東）教學(xué)改革項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：JY-A201210）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2013）13-0065-02

“電力電子技術(shù)”課程作為電力學(xué)、電子學(xué)和控制理論的交叉學(xué)科，是電氣工程專(zhuān)業(yè)非常重要的必修課。隨著電力電子器件的迅速發(fā)展，變流技術(shù)的發(fā)展也是日新月異，使得“電力電子技術(shù)”在電氣類(lèi)本科教學(xué)中的地位和作用越來(lái)越突出。然而，該課程涉及的內(nèi)容較多且復(fù)雜，并在不斷更新，如何能夠讓學(xué)生較快、較好地掌握所學(xué)內(nèi)容成為教師們面臨的一大難題。

電力仿真軟件走進(jìn)“電力電子技術(shù)”的教學(xué)課堂在很大程度上有效地解決了這一難題。電力仿真軟件通過(guò)數(shù)字仿真實(shí)現(xiàn)電力電子電路的分析、設(shè)計(jì)、調(diào)試等，直觀的仿真結(jié)果給學(xué)生帶來(lái)了濃厚的學(xué)習(xí)興趣，并為將來(lái)的電路設(shè)計(jì)、科學(xué)研究打下一定的基礎(chǔ)，因?yàn)樾〉奖究茖W(xué)習(xí)中的基本實(shí)驗(yàn)、畢業(yè)設(shè)計(jì)，大到科研中的課題研究、設(shè)備裝置的開(kāi)發(fā)，通常都要通過(guò)仿真結(jié)果提供實(shí)驗(yàn)參數(shù)的參考依據(jù)。然而，面臨眾多電力仿真軟件，如何根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行合理的選擇成為另一難題。本文將通過(guò)分析“電力電子技術(shù)”教學(xué)中常用的幾種電力仿真軟件提供合理選擇的依據(jù)。

一、常用電力仿真軟件

“電力電子技術(shù)”教學(xué)中常用的電力仿真軟件主要有以下幾種：MATLAB、PSIM、PSpice、PSCAD。MATLAB是主要面對(duì)科學(xué)計(jì)算、可視化以及交互式程序設(shè)計(jì)的高科技計(jì)算環(huán)境，功能全面，能夠用于各個(gè)行業(yè)的建模仿真分析。MATLAB最重要的組件之一Simulink提供一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。其中，電力系統(tǒng)Power System工具箱包含的模組側(cè)重電力系統(tǒng)方面的建模仿真，而電力電子元件模組則是專(zhuān)門(mén)針對(duì)電力電子電路的仿真設(shè)計(jì)的。

PSIM是針對(duì)電力電子領(lǐng)域以及電機(jī)控制領(lǐng)域的仿真應(yīng)用包軟件。它具有仿真高速、用戶(hù)界面友好、波形解析等功能，為電力電子電路的解析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究等有效提供強(qiáng)有力的仿真環(huán)境。

PSpice軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能和圖形后處理功能等，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬計(jì)算電路。它不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化，并且適用于“電力電子技術(shù)”課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。

PSCAD可以較為簡(jiǎn)單地模擬復(fù)雜電力系統(tǒng)，包括直流輸電系統(tǒng)和其相關(guān)的控制系統(tǒng)，并能夠顯著地提高電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)模擬研究的效率。它還可通過(guò)聯(lián)合使用實(shí)時(shí)數(shù)字模擬器RTDS硬件來(lái)開(kāi)發(fā)模擬器，用以模擬包含高壓直流輸電系統(tǒng)的大型互聯(lián)電力系統(tǒng)。

二、常用電力仿真軟件的特點(diǎn)

比較分析上述幾種電力仿真軟件的性能及其在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的實(shí)際仿真應(yīng)用情況，其特點(diǎn)如下：

1.圖形界面友好，操作簡(jiǎn)單易用

通過(guò)拖曳相應(yīng)的功能模塊，按照電氣聯(lián)結(jié)關(guān)系進(jìn)行連接，操作過(guò)程非常簡(jiǎn)單，而且緊密結(jié)合“電力電子技術(shù)”的內(nèi)容，只要具備基本的計(jì)算機(jī)軟件操作水平和電力電子技術(shù)知識(shí)就很容易上手。

2.建立仿真工程的步驟類(lèi)似

采用這些軟件進(jìn)行仿真工作，其基本步驟主要包括：建立仿真工程文件、放置電路元件、設(shè)置元件參數(shù)、電氣連接元件、設(shè)定仿真步長(zhǎng)和仿真時(shí)間等參數(shù)、運(yùn)行仿真操作、觀察各點(diǎn)波形結(jié)果、分析仿真數(shù)據(jù)等，使用過(guò)程大致相同。

3.節(jié)省時(shí)間和儀器設(shè)備

進(jìn)行實(shí)際電路設(shè)計(jì)之前，先采用這些軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，可以隨意設(shè)置電路參數(shù)、更換電路元件，并在軟件中反復(fù)調(diào)試、“實(shí)驗(yàn)”，簡(jiǎn)化實(shí)際電路操作中的一些步驟，大大縮減電路設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)周期；通過(guò)采用軟件中的功能元件還可省去一些測(cè)量?jī)x器的使用，并能夠避免實(shí)際電路實(shí)驗(yàn)中的元器件消耗，能夠盡可能接近實(shí)際電路的雛形。

4.軟件升級(jí)迅速及時(shí)

仿真軟件的產(chǎn)品升級(jí)緊跟科技的發(fā)展。諸如，隨著新能源的快速發(fā)展，這些仿真軟件中也及時(shí)增加了風(fēng)機(jī)、光伏發(fā)電等模型，滿足廣大科技工作者的使用。而且，軟件版本也在不斷升級(jí)換代，各個(gè)方面針對(duì)用戶(hù)在不斷完善。

三、常用電力仿真軟件選擇與應(yīng)用

綜合分析上述幾種電力仿真軟件的特點(diǎn)，結(jié)合多年來(lái)在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中的仿真應(yīng)用實(shí)踐，總結(jié)了幾點(diǎn)區(qū)別，以期提供選擇和應(yīng)用合適軟件的依據(jù)。

1.元件模型及參數(shù)設(shè)置

這四種軟件的元件模型不盡相同，特別是對(duì)于一些較為復(fù)雜的元件，諸如變壓器、晶閘管等，其仿真過(guò)程中的暫態(tài)變化曲線并不一致。而且，其參數(shù)設(shè)置也不盡相同，MATLAB/Simulink里的元件參數(shù)設(shè)置較為細(xì)致全面，尤其是對(duì)于“電力電子技術(shù)”中涉及的晶閘管、IGBT等大功率器件，對(duì)它們本身的性能參數(shù)有詳細(xì)的設(shè)置，比如器件的上升時(shí)間、下降時(shí)間等，因而MATLAB/Simulink常用于仿真一些暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程，比如變壓器的磁飽和特性、晶閘管的強(qiáng)制關(guān)斷過(guò)程、狀態(tài)切換的暫態(tài)響應(yīng)等。其余幾種軟件主要適用于仿真一些常用的電力電子電路，諸如整流電路、逆變電路、DC/DC變換電路等，對(duì)于元件本身性能參數(shù)沒(méi)有嚴(yán)格的要求，或者說(shuō)主要用于仿真電力電子電路的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)過(guò)程。

2.具體仿真操作

在實(shí)際的仿真操作中，幾種軟件也略有差異。像連接元器件的方式上，MATLAB/Simulink的元件大多具有輸入輸出順序，要根據(jù)元件在電路中的位置選擇合適的元件。如果選擇不正確，元件之間不會(huì)實(shí)現(xiàn)電氣連接，搭建電路的過(guò)程相對(duì)復(fù)雜。而其他幾種軟件的連接方式較為簡(jiǎn)單，通常元件都可實(shí)現(xiàn)電氣連接，當(dāng)然，這就需要用戶(hù)自己判斷元件之間的電路連接關(guān)系了。另外，各種軟件的波形顯示窗口、數(shù)據(jù)文件處理、波形拷貝使用、波形暫態(tài)特性、特殊功能部件、THD及損耗測(cè)量等只是細(xì)節(jié)的操作不同。特別指出的是，鑒于MATLAB在數(shù)據(jù)處理方面的強(qiáng)大功能，而有些軟件的仿真波形不適合在文章中使用（比如清晰度不夠、橫縱坐標(biāo)難設(shè)置等），用戶(hù)可采用其他軟件進(jìn)行仿真工作，最后生成數(shù)據(jù)文件之后再將該數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得到較好波形效果和處理操作，也不失為一種方法。

3.仿真精度、速度和準(zhǔn)確度

仿真精度與仿真步長(zhǎng)有直接的關(guān)系，各軟件的步長(zhǎng)設(shè)置定義不盡相同，因而仿真精度難以直接比較。然而，MATLAB/Simulink里可以選擇不同的數(shù)學(xué)算法，從某種程度上講，其仿真精度較高；而且，MATLAB也是各行業(yè)較為認(rèn)可的仿真軟件之一。從仿真速度來(lái)講，針對(duì)“電力電子技術(shù)”中的電路，通常情況下PSIM和PSCAD的仿真速度相對(duì)較快一些，其次是PSpice，當(dāng)然，這也跟用戶(hù)搭建電路的風(fēng)格特點(diǎn)以及實(shí)際情況有關(guān)。而MATLAB/Simulink如果采用圖庫(kù)的電路元件按照實(shí)際電力電子電路搭建電路仿真，速度會(huì)很慢。如果自己建立數(shù)學(xué)模型仿真，速度會(huì)很快。比如，在一個(gè)具有光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、傳統(tǒng)同步機(jī)發(fā)電源的電網(wǎng)系統(tǒng)中，包含了“電力電子技術(shù)”中的整流器、逆變器、DC/DC變換器等典型電力電子電路。如果采用圖庫(kù)中的大功率器件晶閘管、IGBT等搭建電路實(shí)現(xiàn)整流器、逆變器、DC/DC變換器時(shí)，仿真速度會(huì)大大降低；若自己建立整流器、逆變器、DC/DC變換器的數(shù)學(xué)模型或者采用向量模型進(jìn)行仿真時(shí)，速度會(huì)大幅提高。當(dāng)然，這就增加了建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程，讀者可根據(jù)實(shí)際情況選擇。另外，對(duì)于仿真確定的參數(shù)雖然可以提供實(shí)際電路參數(shù)的依據(jù)，但與實(shí)際電路參數(shù)之間還是有一定的差距，還需要綜合分析比較計(jì)算數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況來(lái)定，當(dāng)然最終還需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，但這畢竟大大減小了實(shí)驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)和不確定性。

4.復(fù)合功能和應(yīng)用領(lǐng)域

Simulink 依托于MATLAB，能夠利用MATLAB強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能并結(jié)合其他的功能函數(shù)等進(jìn)行電力電子電路的仿真，復(fù)合功能相對(duì)豐富，應(yīng)用領(lǐng)域也更寬廣，而且易于實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備、軟件的銜接。比如RTLAB仿真系統(tǒng)就將實(shí)際功率設(shè)備通過(guò)MATLAB進(jìn)行銜接控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)仿真。PSIM仿真系統(tǒng)不只是回路仿真單體，還可以和其他公司的仿真器連接，為用戶(hù)提供高開(kāi)發(fā)效率的仿真環(huán)境。例如，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域，控制部分用MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)，主回路部分以及其周邊回路用PSIM實(shí)現(xiàn)，電機(jī)部分用電磁界解析軟件JMAG實(shí)現(xiàn)，由此進(jìn)行連成解析，實(shí)現(xiàn)更高精度的全面仿真系統(tǒng)。PSpice集成度高，集成了許多仿真功能，如直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等；而且，PSpice程序采用改進(jìn)節(jié)點(diǎn)法列電路方程，用牛頓-萊普生方法的改進(jìn)算法進(jìn)行非線性分析，用變節(jié)步長(zhǎng)的隱式積分法進(jìn)行瞬態(tài)分析，在求解線性代數(shù)方程組時(shí)采用了稀疏矩陣技術(shù)，大大提高了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。PSCAD則適用于富含電力電子電路的復(fù)雜電力系統(tǒng)，包括現(xiàn)今發(fā)展迅速的高壓直流輸電系統(tǒng)及其相關(guān)控制系統(tǒng)、含有各種分布式能源的大型互聯(lián)電力系統(tǒng)等等。

5.故障模擬與功率器件性能

對(duì)于初學(xué)“電力電子技術(shù)”的同學(xué)來(lái)說(shuō)，搭建實(shí)際電力電子電路實(shí)驗(yàn)容易帶來(lái)一些問(wèn)題，如觸發(fā)脈沖不合適帶來(lái)的功率器件上下直通現(xiàn)象、功率器件耐壓耐流參數(shù)選擇不合適等都會(huì)帶來(lái)器件的損壞、系統(tǒng)的崩潰。通過(guò)采用仿真軟件仿真可以事先發(fā)現(xiàn)這些問(wèn)題，及時(shí)解決。從另一方面說(shuō)，學(xué)生亦可借助電力仿真軟件進(jìn)行故障模擬，直觀地觀察波形變化情況，注意出現(xiàn)的問(wèn)題，強(qiáng)化認(rèn)識(shí)，比如可以人為設(shè)置IGBT等功率器件的直通現(xiàn)象、耐壓參數(shù)、擊穿電流等，通過(guò)觀察各點(diǎn)波形變化情況，達(dá)到教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合的效果。這種故障模擬和器件性能測(cè)試方面的仿真通常通過(guò)MATLAB/Simulink實(shí)現(xiàn)，能夠達(dá)到較好的仿真觀察效果。

“電力電子技術(shù)”教學(xué)中可參考上文對(duì)學(xué)生給予指導(dǎo)，可以先介紹簡(jiǎn)單易操作的軟件，如PSIM、PSCAD等，結(jié)合各種軟件的特點(diǎn)與適用范圍，針對(duì)不同的仿真對(duì)象和問(wèn)題進(jìn)行適當(dāng)?shù)倪x擇，也可以多種軟件結(jié)合使用，效果更佳。

四、結(jié)語(yǔ)

電力仿真軟件在“電力電子技術(shù)”教學(xué)中發(fā)揮重要的作用，有針對(duì)性地選擇電力仿真軟件可以提高仿真速度、精度及準(zhǔn)確度。本文通過(guò)詳細(xì)分析比較常用的四種電力仿真軟件的特點(diǎn)和適用領(lǐng)域，結(jié)合教學(xué)仿真中的一些實(shí)際問(wèn)題與使用操作，給出了它們具體應(yīng)用的選擇依據(jù)。

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