文/許芷毓 李磊 柴松

（西南民族大學(xué) 四川省成都市 610000）

根據(jù)傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)，在發(fā)電效率和對(duì)環(huán)境的污染程度方面都存在著許多的弊端，這就意味著過去以往的光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前階段發(fā)電的基本需求。然而本文所提出的是將光電跟蹤方式和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式相結(jié)合的全天候太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方法，這個(gè)方法分別分析了三種天氣條件下的狀況，分別是：晴天、多云和陰雨，采取分別的跟蹤方式，在這樣的情況下給出了光電跟蹤方式的具體設(shè)計(jì)方法和實(shí)現(xiàn)方法，這樣就能夠確定了太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡的計(jì)算方法。因此，正是因?yàn)檫@樣的方式方法，才能設(shè)計(jì)出一整套配合的自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，從本質(zhì)上來說這個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，這是在太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤的基礎(chǔ)之上，全天候、高效率的獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)行，換句話說這就是盡可能的將多的太陽(yáng)能全部都轉(zhuǎn)換為電能，都提供給用電負(fù)載使用。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過程中主要分為太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和光伏電源系統(tǒng)的兩個(gè)子系統(tǒng)，在這其中光伏電源子系統(tǒng)是以重要的森林防火這一具體的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)榘咐M(jìn)行詳細(xì)分析和設(shè)計(jì)的。在這個(gè)時(shí)候我們就需要分別對(duì)這兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)定于特定的軟件和硬件設(shè)施，其中硬件設(shè)施主要包括：太陽(yáng)方位檢測(cè)、計(jì)算機(jī)控制、數(shù)據(jù)采集特點(diǎn)以及光伏電源模塊的設(shè)計(jì)，然而軟件設(shè)計(jì)主要包含了太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的軟件體系，這些軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)硬件模塊的主要功能、光電檢測(cè)數(shù)據(jù)的有效處理以及一些太陽(yáng)跟蹤設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制。最后則是將設(shè)計(jì)好的這些光伏發(fā)電的整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，這是將理論與知識(shí)的一種結(jié)合，能夠?yàn)樘?yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電檢測(cè)跟蹤的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性提供有利的幫助，為的就是驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)的合理性以及獨(dú)立工作的穩(wěn)定性。

1 目前國(guó)內(nèi)外自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電的研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，經(jīng)濟(jì)水平的不斷提升，我國(guó)逐漸的開始追求高新技術(shù)的發(fā)展，走可持續(xù)性發(fā)展的道路。近年來，太陽(yáng)能光伏發(fā)電作為太陽(yáng)能利用的關(guān)鍵性方式，具有很廣闊的發(fā)展空間，并且太陽(yáng)能發(fā)電也逐漸的應(yīng)用于生活當(dāng)中的各個(gè)領(lǐng)域，并且也發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

目前階段，隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種能源結(jié)構(gòu)錯(cuò)綜復(fù)雜，但是在世界能源結(jié)構(gòu)當(dāng)中，人們主要利用的能源結(jié)構(gòu)有煤炭、石油、天然氣以及石化能源等等。然而人們所利用的常規(guī)性能源中，曾經(jīng)極大地推動(dòng)了社會(huì)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，但是隨著化石和煤炭資源的大量開發(fā)和利用，大部分的資源都已經(jīng)面臨著枯竭的狀態(tài)，由于這些礦產(chǎn)資源的大量開采，使得人類的生存環(huán)境也變得不斷惡化，不僅如此還使得各個(gè)國(guó)家和地區(qū)之間的經(jīng)濟(jì)和政治上的糾紛，情況嚴(yán)重者更容易引起各個(gè)國(guó)家之間的沖突和戰(zhàn)爭(zhēng)。即使目前階段我國(guó)的煤炭資源相當(dāng)?shù)呢S富，同時(shí)也是世界當(dāng)中最大的煤炭消費(fèi)國(guó)家，工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中的煤炭使用幾乎占據(jù)了我國(guó)煤炭能源市場(chǎng)總數(shù)的70%以上，這在一定程度上不僅對(duì)周圍的環(huán)境造成了一定的污染，也是生態(tài)環(huán)境遭到破壞的重要原因之一，而且對(duì)于這種不可再生資源我們切勿進(jìn)行大量的開采和使用，我們?nèi)祟惛鼞?yīng)該大力的開采新能源和可再生資源。其中，太陽(yáng)能作為新能源當(dāng)中和可再生資源的重要組成部分，更是值得人們?nèi)ブ攸c(diǎn)開采和使用，最為重要的是太陽(yáng)能資源更有煤炭、石油和天然氣能源都無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，那就是對(duì)周圍的環(huán)境不會(huì)造成破壞。太陽(yáng)能的光伏發(fā)電是在光伏效應(yīng)的基礎(chǔ)之上的，其中最為主要的部分就是能夠?qū)⑻?yáng)的光能全部轉(zhuǎn)換為電能的太陽(yáng)能電池，因?yàn)樘?yáng)能電池能夠直接產(chǎn)生直流電，并且也可以直接投入使用，除此之外這也可以通過使用逆變器將其轉(zhuǎn)換為交流電加以使用。在功能方面我們可以根據(jù)是否與電網(wǎng)相連，可以將具體的太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立型和并網(wǎng)型兩種，獨(dú)立型通常是建立在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的邊遠(yuǎn)地區(qū)或者是專門用作獨(dú)立式的電源，這樣就能有效的解決那些偏遠(yuǎn)地區(qū)的實(shí)際用電問題，然而并網(wǎng)型則是與常規(guī)使用的電網(wǎng)連接在一起，能夠直接將所發(fā)出的電能輸送到當(dāng)?shù)氐碾娏W(wǎng)絡(luò)之上。實(shí)際上在太陽(yáng)能光伏發(fā)電的研究領(lǐng)域當(dāng)中，國(guó)外的一些發(fā)達(dá)國(guó)家都是遠(yuǎn)遠(yuǎn)的領(lǐng)先世界先進(jìn)水平，因此這就使得世界各國(guó)對(duì)于光伏發(fā)電就非常的重視，就會(huì)對(duì)此進(jìn)行大量的投資、研究和開發(fā)，這就使得光伏發(fā)電的應(yīng)用范圍遍及社會(huì)當(dāng)中的各個(gè)領(lǐng)域。

2 光伏電源系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和主要容量

2.1 獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

目前光伏發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于生活中的各個(gè)領(lǐng)域，但是根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)所的不同，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般情況下可以分為獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)、并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)和混合型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，因此通常情況下偏遠(yuǎn)地區(qū)所使用的光伏發(fā)電系統(tǒng)都是小型的獨(dú)立光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)主要是由太陽(yáng)能電池陣列、充電和放電控制器、蓄電池、逆變器以及相應(yīng)的DC 變換器共同組成的，其中太陽(yáng)能電池陣列一般是由多塊太陽(yáng)能電池板串聯(lián)而成的，但是對(duì)于每個(gè)支路來說都需要通過充電和放電控制器給蓄電池進(jìn)行充電；然而蓄電池組則是太陽(yáng)能電池陣列的重要儲(chǔ)存裝置，它的重要作用就是將電池陣列在有日照時(shí)產(chǎn)生的多余電能進(jìn)行儲(chǔ)存起來，以供在晚間用電高峰期或者是陰雨天的負(fù)載時(shí)使用，因?yàn)樾铍姵厥怯扇舾蓧K蓄電池串聯(lián)而形成的，這其中所含的容量必須要在沒有太陽(yáng)輻射的時(shí)間里，充分的滿足用戶要求的具體供電時(shí)間和供電用量，但是目前階段光伏發(fā)電系統(tǒng)常用的是鉛酸蓄電池，并且一些特殊的重要場(chǎng)合也有鎳鉻蓄電池，但是這種類型的蓄電池制作成本相對(duì)比較高，只是沒有鉛酸蓄電池應(yīng)用廣泛而已；充電和放電控制器也是整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的關(guān)鍵部分，往往蓄電池組使用壽命的長(zhǎng)短會(huì)對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的壽命影響十分巨大，延長(zhǎng)蓄電池組使用壽命的關(guān)鍵是在于對(duì)其充電和放電的條件加以嚴(yán)格的規(guī)定和控制。因?yàn)樵诠夥l(fā)電的過程中，充電和放電的控制器的主要作用就是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，另外還要快速、平穩(wěn)和高效的為蓄電池進(jìn)行充電，并且還需要在這個(gè)充電的過程中盡量的減少損耗、延長(zhǎng)蓄電池的使用壽命。與此同時(shí)我們還要保護(hù)蓄電池，避免出現(xiàn)充電或者放電現(xiàn)象的發(fā)生。如果是用戶采用直接使用直流負(fù)載的方式，這樣可以通過充電控制器為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流電流，如果在溫差相對(duì)比較大的地方，合格的控制器還需要具備一定的溫度補(bǔ)償功能，其他的附加功能也應(yīng)當(dāng)是有關(guān)控制器的首選。

2.2 獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)的容量計(jì)算

光伏電源系統(tǒng)當(dāng)中，主要的設(shè)計(jì)是進(jìn)行光伏電源系統(tǒng)的容量計(jì)算，這其中需要考慮到各個(gè)方面的因素，首先光伏發(fā)電需要的就是依靠太陽(yáng)能輻射，因此這就需要我們要盡可能的去掌握一些當(dāng)?shù)卦敿?xì)的氣象環(huán)境等重要狀況。另外，我們需要去考慮具體的用電需求狀況，這就需要我們對(duì)其中相關(guān)的參數(shù)做出綜合性的考慮和計(jì)算，也只有這樣才能最大化的發(fā)揮出系統(tǒng)各部件的主要性能，因此我們需要在保證用電設(shè)備正常工作的基礎(chǔ)之上盡量的降低系統(tǒng)的主要成本。光伏電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中主要關(guān)系到特定的天氣現(xiàn)象、環(huán)境以及其他大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些大量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的測(cè)量以及相關(guān)數(shù)據(jù)的選擇方面都是至關(guān)重要的，一般情況下氣象臺(tái)所提供的一些資料都是有根據(jù)的，需要經(jīng)過日積月累、大量數(shù)據(jù)信息的分析和總結(jié)，其中最為重要的是本文所研究的自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)中自動(dòng)跟蹤裝置驅(qū)動(dòng)之下運(yùn)行的，并且還會(huì)隨著太陽(yáng)的移動(dòng)而移動(dòng)，這在一定程度上能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)電效率，同時(shí)裝置的本身也會(huì)存在著電力消耗的現(xiàn)象，但是裝置電力消耗是遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于跟蹤裝置所需要的發(fā)電量，但是在精確計(jì)算一些光伏電源系統(tǒng)容量的時(shí)候，為了簡(jiǎn)化這些計(jì)算信息，完全可以忽略不計(jì)。

3 系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

通過對(duì)太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤方法的分析和光伏電源系統(tǒng)的容量進(jìn)行相關(guān)的計(jì)算，我們可以根據(jù)相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)出的一些自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)和光伏電源系統(tǒng)，但是如果將這兩個(gè)系統(tǒng)結(jié)合在一起的話，就構(gòu)成了自動(dòng)跟蹤式的獨(dú)立太陽(yáng)能的重要發(fā)電系統(tǒng)。然而本文主要研究的就是自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，這從本質(zhì)上來說就是一個(gè)小型的光伏發(fā)電系統(tǒng)，關(guān)鍵的可以為森林防火的監(jiān)控設(shè)備提供獨(dú)立的、全天候的電力供應(yīng)行為，因此系統(tǒng)在整體運(yùn)行的過程中具有很高的要求，例如：獨(dú)立性、連續(xù)性、高效性和穩(wěn)定性，主要的技術(shù)指標(biāo)如下：跟蹤進(jìn)度大概在1 度到2 度之間；承載重量一般小于50KG；水平運(yùn)行角度在0-360 度之間；垂直調(diào)整角度在0-90 度之間；光伏電源逆變效率在80%左右；輸出交流電壓精度在220V±3%；輸出直流電壓精度在5V±1%；系統(tǒng)的功率消耗小于10W；系統(tǒng)自給天數(shù)3 天；跟蹤系統(tǒng)抗風(fēng)性能不小于11 級(jí)；運(yùn)行的環(huán)境以及相應(yīng)的溫度-30℃在+60℃之間，并且還要在室外全天候條件下運(yùn)行。至于系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)是與太陽(yáng)的運(yùn)動(dòng)軌跡方式相結(jié)合的，計(jì)算機(jī)為控制的中心，接受光電檢測(cè)模塊信號(hào)和輸出的太陽(yáng)方位信號(hào)，并且結(jié)合太陽(yáng)具體的運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤模塊最終計(jì)算出太陽(yáng)的高度角和方位角的真實(shí)理論值，然后監(jiān)測(cè)控制二維跟蹤裝置當(dāng)中的步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而能夠有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的有效跟蹤。

4 光伏電源系統(tǒng)的軟件和硬件設(shè)計(jì)

在光伏電源系統(tǒng)當(dāng)中，整個(gè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)都是要按照系統(tǒng)的規(guī)定安排的，在整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中的硬件設(shè)計(jì)主要包括太陽(yáng)方位監(jiān)測(cè)模塊、光強(qiáng)監(jiān)測(cè)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊、外部時(shí)鐘模塊、光伏電源模塊的設(shè)計(jì)等等，然而在這些模塊的設(shè)計(jì)過程中，具有象限間隙較小、相應(yīng)快速、低暗電流、高分流電阻和高精度的特點(diǎn)，因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)的過程中必須要按照系統(tǒng)嚴(yán)格的參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算，最終根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息得出相關(guān)參數(shù)的關(guān)系，進(jìn)行對(duì)比。另外我們還要考慮到系統(tǒng)硬件設(shè)備的設(shè)計(jì)，這就需要考慮到獨(dú)立型太陽(yáng)能光伏電源系統(tǒng)中的充電和放電控制器，其中相關(guān)的是控制器、逆變器和蓄電池的各種參數(shù)，主要就是這些用電設(shè)備的選型問題，其中最為常見的就是工作電壓為24V 的蓄電池，根據(jù)電源系統(tǒng)中各種設(shè)備容量的計(jì)算問題，仔細(xì)合理的進(jìn)行設(shè)備的選型，最終才能確定設(shè)備之間相關(guān)的連接方式，只有這樣才能確保系統(tǒng)的順利運(yùn)行。

5 結(jié)束語

綜上所述，本文所提出的是一種全新的太陽(yáng)能自動(dòng)跟蹤方法，這也是在原有的方法上進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，其中最為重要的是在這個(gè)方法的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了自動(dòng)跟蹤式獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電的系統(tǒng)研究和方案的設(shè)計(jì)，這主要是因?yàn)樘岢隽艘环N將光電跟蹤方式和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式相互結(jié)合的全天候太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方法。這其中主要分為三種天氣變化：晴天、多云和陰雨三種，這就需要結(jié)合光電跟蹤方式和太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤方式的主要工作原理，經(jīng)過這兩種獨(dú)特的設(shè)計(jì)和對(duì)整個(gè)過程進(jìn)行詳細(xì)的介紹，對(duì)該有的太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤算法的可行性進(jìn)行一定的驗(yàn)證。針對(duì)目前的狀況，我們需要在現(xiàn)有的技術(shù)基礎(chǔ)之上設(shè)定一種獨(dú)立的自動(dòng)跟蹤式太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，只有這樣在一定程度上才能根除整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)中所存在的弊端，并且整個(gè)系統(tǒng)能夠在全天候、高效率的進(jìn)行運(yùn)行，大大的提高能量的轉(zhuǎn)換效率。