太阳风结构

2024-09-25

太阳风结构(共9篇)

太阳风结构 篇1

摘要:陶瓷太阳板以普通瓷土、工业废弃物为原料制造,其生产工艺简单、耗能少、成本低,产品寿命长、热效率高;锚桩陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层和防水层,结构简单,与建筑一体化、同寿命,为建筑物提供热水、采暖,调节室内湿度。

关键词:陶瓷,太阳能房顶,储能水箱,热水

1 陶瓷太阳板

太阳能收集器的核心部件是太阳能集热体。陶瓷太阳板采用全新的材料、结构、制造工艺,是在瓷质通孔扁盒结构[4]基体上覆盖以提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷泥浆层,经1 200℃一次烧结成为基体是普通陶瓷,表面是立体网状黑瓷阳光吸收层的复合陶瓷制品,立体网状黑瓷层有无数小孔,阳光进入小孔后难以逃逸,具有很高的集热效率。

经国家有关部门、国家太阳能热水器质量监督检验中心检验,表面阳光吸收率0.95,陶瓷太阳板具有瓷质材料通性,强度大、硬度高、热稳定性好、不腐蚀、不老化、不退色、无毒、无害、无放射性、吸水率<0.5%、阳光吸收率不随时间衰减、可具有与建筑物相同的使用寿命。已经证明陶瓷太阳板是一种成本很低、寿命很长、效率很高的太阳能集热体。

陶瓷太阳板获中国、日本发明专利,在韩国上市,已规模化生产,正在开发建筑太阳能市场。

2 锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶——与建筑一体化、与建筑同寿命

太阳能热水系统与建筑结合,就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装,使其与建筑有机结合。安装在建筑上的太阳能集热器正常使用寿命一般都不超过15年,而建筑的寿命是50年以上。因此,现有太阳能热水(器)系统要与建筑一体化、与建筑同寿命,需要实现重大技术进步。锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶成本低、寿命长、效率高,与普通房顶共用结构层、保温层、防水层,可以符合上述要求。

普通房顶基本组成是结构层、保温层、水泥层、防水层。一般房顶是实心房顶,采用湿法施工,一般斜房顶采用各种瓦片作为防水层。这些结构都比较复杂,施工工期长,消耗材料多,人工工时长,成本比较高。通常太阳能房顶结构更加复杂,材料昂贵,建造成本更高。

传统斜屋面是在房顶基础层上依次用20 mm厚水泥砂浆找平,100 mm~200 mm轻质材料与水泥砂浆的混合物作为保温层,20 mm厚水泥砂浆找平,防水卷材,35 mm厚细石混凝土找平,内配钢筋防裂网,40 mm厚水泥砂浆粘贴黏土瓦或者琉璃瓦,黏土瓦70元/m2~100元/m2,琉璃瓦100元/m2~300元/m2,四、五道湿法施工,用瓦片达到可靠防水对施工水平有较高技术要求,人工费比较贵。通常房顶的功能是隔热、保温、防风、防雨、防晒等,要求本身有一定的重量,与房顶基础层有一定的结合力(湿法施工),防止刮大风破坏屋面,造价是240元/m2~700元/m2。

锚桩结构黑瓷复合陶瓷太阳能房顶取消找平层,取消湿法施工,以3.2 mm钢化玻璃代替瓦片,可以简化普通房顶的结构,简化空气太阳能房顶的结构,减少材料消耗,提高施工效率,减轻劳动强度,降低房顶成本。

锚桩结构陶瓷太阳能房顶由低值防水层、保温层(70 mm苯板、20 mm聚氨酯板、8 mm纤维水泥板)、陶瓷太阳板、3.2 mm超透钢化玻璃板、锚桩件、连接配件、管路、控制器、水泵、保温水箱组成。陶瓷太阳能房顶采用保温水箱放在房顶下面的单水泵控制系统,解决了防冻问题,减少了热能损失,经过几年冬天使用,证明安全可靠。

在建筑物房顶基层的周围设置边框,在边框的顶部和底部设置可以开关的闸门,锚桩结构陶瓷太阳能房顶中的陶瓷太阳板支撑结构和透明盖板支撑结构采用锚桩结构,以锚桩结构支撑陶瓷太阳板和透明盖板,防止陶瓷太阳板下滑并且承担透明盖板的重量及防止透明盖板下滑。在建筑物房顶基层上分布、固定螺栓和短棒,螺栓和短棒的下端预先埋设在房顶基层里或者房顶基层完成后将螺栓和短棒的下端与基层固定,在房顶基层上铺设保温材料。螺栓用于调节玻璃板的高度、定位、固定、拉住玻璃板,短棒用于支撑玻璃板,螺栓和短棒的分布密度足以支撑玻璃板和在玻璃板上操作人员的重量。玻璃板放置在边框、螺栓、短棒的上面,与螺栓位置对应的玻璃板上有孔,调节下面螺帽的高度,拧紧螺帽或者拧紧固定螺栓,以调节玻璃板的高度、定位、固定、拉住玻璃板,螺栓与短棒的共同作用使玻璃板实现了能够抵抗各种外力的稳定状态。玻璃板之间采用互相搭接的方式以防水,上下玻璃板之间有不锈钢S钩,防止上面玻璃板下滑,最下面的玻璃板顶在下面边框的侧面上,以防止玻璃板下滑,玻璃板之间及玻璃板与边框之间的接触部位用硅酮胶结合和密封。

玻璃板分为上层有孔玻璃板和下层无孔玻璃板,上层有孔玻璃板的两侧部分压在下层无孔玻璃板上面,即上层有孔玻璃板与下层无孔玻璃板形成上下搭接,所有玻璃板下面都有短棒支撑,上层有孔玻璃板被螺栓定位、固定,所有玻璃板都处于固定状态,防止人为或者自然力量如刮大风时掀起玻璃板造成破坏,提高了可靠性和安全性。

玻璃板是3.2 mm厚度的超透钢化或半钢化玻璃板,也称作3.2 mm超白钢化或半钢化玻璃板或者是3.2 mm厚度的超透钢化或半钢化的压痕玻璃板,也称作压花玻璃板,压痕玻璃板表面不反光。下面边框的高度高于其他部位边框的高度,高出部分用于顶住最下面的玻璃板。

保温材料上面放置硅酸钙板或者纤维水泥板,以保护保温材料,防止其在阳光长期照射下老化,延长使用寿命。

短棒的上表面与玻璃板之间用导热系数比较低的材料隔离,以减少热损失。

任何陶瓷太阳能热水系统在不加热的时候,都应该将热水排入保温水箱,这既是保存能量也是北方冬天防止陶瓷太阳板冻裂的主要手段。陶瓷太阳能房顶应该采用集热器的底部高于水箱顶部的动力(水泵)循环系统,与建筑同寿命的陶瓷太阳板可以具有几十年以上的使用寿命,所以需要更高的排水可靠性,由于产品质量、人为失误、机电故障产生的截止阀错误状态的机率会抵消陶瓷太阳能房顶的长寿命,最好不要在循环系统主管道中安装任何截止阀,系统只有两种状态:水泵不工作,水流回水箱,瓷板中没有水;水泵工作,陶瓷太阳板中的水经过保温水箱流动不会结冰。即便供电、电路、管理、水泵等出现问题,也不会损坏陶瓷太阳能房顶。

陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层,与建筑一体化、与建筑同寿命,造价低廉。陶瓷太阳能房顶具有长期稳定的热效率(每日供热量8.6 mJ,高于国家标准的7.0 mJ),结构简单、保温隔热效果好于传统房顶。

3 结语

我国现有建筑房顶、南墙面各100亿m2,每年各新增5亿m2,黑瓷复合陶瓷太阳板可开发建筑太阳能市场,联合建筑部门,建造陶瓷太阳能建筑,根据黑瓷复合陶瓷太阳板成本低、寿命长的特点,推广全面积陶瓷太阳能房顶、全面积陶瓷太阳能墙面,提供高温热水,提供采暖、调节室内湿度,为实现太阳能的高品质利用做出贡献。

参考文献

[1]复合陶瓷太阳板[P].中国专利:200910007128.X,2010.

[2]民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S],GB50364-2005.

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[4]罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术[M].化学工业出版社,2005.

太阳风结构 篇2

朝鲜劳动新闻 主体106(2017)年 4月 16日 报道旅华朝鲜人总联合会致信金正恩祝贺太阳节值此金日成大元帅诞辰105周年,旅华朝鲜人总联合会4月15日向朝鲜最高领导人金正恩致贺信。信上指出,金日成大元帅诞生的4月15日是朝鲜在五千年历史上首次迎来民族太阳的...原标题:朝鲜举行太阳节大规模阅兵“朝鲜随时会进行下一次核试验!”朝鲜外务省副相韩成烈14日的这番表态,预示着朝鲜半岛局势的“恶性循环”还在持续。今天,朝鲜将庆祝建国领导人金日成

诞辰105周年。外界猜测在这个“太阳节”之际,朝鲜除了可能阅兵,会...崔龙海在阅兵仪式上进行致辞。观礼台上的观众。观礼台上的观众。观礼台上的观众。金正恩观看阅兵。

网易军事讯,据外媒报道,在朝鲜周六举行的“太阳节”阅兵仪式上,首次展示了潜艇发射的弹道导弹。朝鲜中央通讯社于2017年4月14日发布的一张未注明日期的照片,显示朝鲜领导人金正恩在一个未公开的地点视察军队。在...四月十五日,是朝鲜已故领导人金日成的105周年诞辰,也是朝鲜一年一度的太阳节。朝鲜在金日成广场举行大规模阅兵活动。在太阳节当天举行阅兵仪式是朝鲜的传统。韩国军方认为,朝鲜本次阅兵规模将为朝鲜史上最大。据美韩等媒体报道,朝鲜或将在今日启动第六次核试验。为庆祝今年...自从美国的卡尔·文森号航母战斗群掉头北上,向朝鲜半岛附近海域进发之后,东北亚的局势变得越来越微妙。

太阳风结构 篇3

关键词: 应用光学; 太阳模拟器; 均匀照明; 准直

引言太阳模拟器在太阳能光伏行业领域内是一种十分重要的光学检测设备,能对电池片、组件以及系统进行室内在线检测,在室外进行测试也不需要依赖天气。同时,太阳模拟器的稳定性高于随时间变化的实际太阳,它不仅能大大提高生产效率,也更加科学的对系统性能进行了标定。太阳能光伏从第一代晶体硅发展到现今第三代聚光光伏(CPV),其对太阳模拟器的性能要求也随之变化。对于传统的光伏(PV)组件,太阳光直接照射电池片。太阳模拟器只需在电池片上提供与实际太阳相近的辐射光谱、强度以及均匀度,并无对照射角度有要求。而对于CPV,太阳光并不直接照射电池片,而是经光学系统聚焦后被电池片接收,太阳模拟器必须提供与实际太阳相近的准直照射,才能确保聚光镜的正确聚焦,从而对组件进行有效测试。目前在《中华人民共和国国家标准太阳模拟器通用规范》GB/T 12637-90中[1],对太阳模拟器进行了如表1的等级的划分,其中并无照射角度的指标,并不能完全满足CPV的需求。因此,应用于CPV的太阳模拟器具有更高的技术要求,而其实现也更具有难度。

本文从理论角度分析了实现辐照度均匀且同时具有小角度准直的太阳模拟器的设计难点,提出了一种可使辐射角度减小的系统结构,该结构还可以采用拼接的方法增大辐照面积。文章将该方案通过软件仿真进行了分析,并计算了其辐照不均匀度与准直角度。

1太阳模拟器光学系统主要组成部分及其作用太阳模拟器的光学系统主要由光源、匀光系统和准直系统三大部分组成。目前,国内外主要太阳模拟器的光源采用氙灯或与其他卤素灯的组合光源,氙灯因其光谱接近太阳光谱,通过适当的滤光片即可得到AM1.5的光谱分布[23],同样也可以利用各单波长LED的组合配比成接近AM1.5的太阳光谱[45]。对于匀光系统,主要采用复眼透镜积分器或积分光棒[68]。用于将光源发出的不均匀光变为均匀光束。准直系统用于将太阳模拟器的光束投射出去,获得所需的照射面积和照射角度,准直系统可以分为折射式和反射式。前者适用于辐照面较小的太阳模拟器,而后者适合大面积照射的太阳模拟器[9]。2影响辐照均匀度及准直角度的因素

2.1均匀度分析复眼透镜是一种用于匀光的光学器件,当不均匀的光照射在复眼透镜上时,阵列透镜把光束分割成多个单元,每个单元局部可认为是均匀光束,通过后续透镜的作用将阵列透镜的每一单元成像,并在照射面上进行叠加,从而实现照射面的均匀。由于阵列透镜按空间排列分布,将它们成像并叠加在同一面积上时,光束将来自不同的角度,因此不易获得准直照射。导光管也是一种匀光器件,它将入射在入口一端的不均匀光斑经过其内部的多次反射,在出射端形成均匀光斑,但柱状的导光管不改变入射光线的角度,因此也不能获得准直照射。均匀发光的理想点光源置于透镜的焦点处,一般来说,可以获得准直的光束,但是点光源的准直光是否均匀?根据光的可逆原理,将一均匀的平行光束,经透镜聚焦,设透镜为理想透镜,以横坐标表示光源发光角度,纵坐标表示光源辐射强度,如图2所示,在焦点处考察点光源的强度分布。图2(b)所示的结果表明,点光源均匀发光并不能获得均匀的准直光,这是由于照度与距离的平方成反比。由于边缘光的距离长,因此点光源发出的大角度光束边缘角度必须比中间的近轴光有更高的光强,才能获得准直的均匀光束。

2.2准直度分析理想的点光源位于透镜的焦点,可以获得准直的平行光出射。一般来说,光源尺寸越小,光学系统准直起来越容易。若尺寸为A的光源位于孔径为D的透镜的焦平面处,其出射角度与A和f相关,如图3所示综上所述,若对单光源而言,既做到准直出射又要辐照均匀,需要满足两点:(1)光源尺寸与准直透镜焦距比例越小,准直性越高;(2)光源强度分布,随角度增大而变大。准直光束的获得还可以通过采用扩束系统,太阳模拟器属于照明系统,符合扩展度守恒,在扩展度一定时,角度与辐照度互相制约,角度越小,辐照面积变大,扩束系统将小面积的光束扩束为大面积的光束,在扩大面积的同时也就实现了准直。同时根据能量守恒定律,随面积增大,辐照度值也将变小。3太阳模拟器光学系统的方案本文提出了一种太阳模拟器结构,如图4所示。它对均匀度和准直度进行了综合考虑。本文采用氙灯作为太阳模拟器的主要光源,其光谱分布接近太阳光谱[10],球形氙灯的光强分布见图4。为了提高光能利用率,氙灯将配合椭球反射面使用,把有一定体积的氙灯放置在椭球面反射镜的第一焦点处,在椭球反射面的第二焦点处形成一会聚光斑。光束的会聚角度主要由反射镜的两焦距f反1、f反2及其孔径D决定[11],其焦斑处的强度分布随角度的增大而减小;本文采用的匀光器件为导光管积分棒,其入口在椭球反射镜的第二光斑处,端面大小为光斑的外接正方形,导光管对光斑进行多次反射,设计其长度使得在出射面形成均匀的辐照面;本文采用的准直系统为倒置的望远系统,距导光管出射端距离为其前会聚透镜的焦距f1,后准直透镜与前会聚透镜的距离为两焦距值之和,组成一倒置望远系统。设导光管出射端面面积为A1,辐照出射面积为A2,导光管出射光半角度为θ1,准直透镜出射光半角度为θ2,由于扩展度守恒,n1A1sin2θ1=n2A2sin2θ2,其中n1为入射进会聚透镜空间折射率, n2为准直透镜出射方空间折射率。通过选用不同焦距f1、f2的透镜对光束进行不同比例A2/A1的扩束,同时使其出射准直角度θ2改变。系统结构如图5所示:

4.3.2准直度状况准直度与入射角有关,首先需选择合理的入射角。假设在1 000 W光源出射后,经过全部理想透镜的情况下,接受面的能量为610 W,其光学利用率为60%,主要的能量损失是一部分光并没有入射进导光管。对于同一孔径D和f反1的反光碗,f反2越大,其汇聚的角度也就越小(即矩形导光管的出射角),然而θ1太小的话,为了保证反射次数以满足均匀性要求,其导光管的长度势必增长,不利于结构的紧凑性。因此,合理权衡选择θ1的最小值,可以得到具有更好准直性的出射光,也将缩小后续光学系统的结构尺寸。这里,选择的入射角为18°。在软件的仿真结果中,通过辐射强度图得到了探测器接受到的光强随角度变化的曲线。透镜的焦距比f2/f1=4,入射角18°,因而理论角度为4.5°,从图9(a)中得到体现。图9(b)中,80%的光能辐射在接收器内角度小于4°,最大的角度为6°。比理论的4.5°大些,这是由实际透镜的球差、准直透镜前焦平面的轴外像差以及系统瞳窗尺寸未匹配等因素导致。

5结论本文首先从太阳模拟器光学性能指标的理论分析着手,找到设计其光学系统的重点与难点,并以此为理论依据,用导光管对光源进行匀光处理,用扩束系统将光束进行准直。通过选配不同大小焦距与孔径的透镜使辐照面面积可调,均匀度高,出射角度小。由于受扩展度守恒的制约,准直性越高,其辐照度值越低。所以,这种透射式结构的太阳模拟器其整体光学结构横截面尺寸小于出射辐照面尺寸,它不仅能对单个小面积的CPV聚光系统中的单个电池片或聚光透镜进行检测,也可以通过排列组合的方式拓宽其辐照面。结合以上两种方法,可获取任意大小面积及满足辐照度大小的太阳模拟器,且其准直角度小,适合于CPV领域内对多种不同场合下的检测。

参考文献:

[1]全国太阳光伏能源系统标准化技术委员会.GB/T 12637-1990太阳模拟器通用规范[S].北京:中国标准出版社,1990.

[2]李申生.太阳常数与太阳辐射的光谱分布[J].太阳能,2003(4):5-6.

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[6]张增宝,翁志成,从小杰,等.液晶背投电视中蝇眼透镜阵列照明系统的设计[J].光学精密工程,2002,10(2):126-129.

[7]吕勇,郑臻荣.方棒照明系统的光学扩展量传递分析[J].北京航空航天大学学报,2004,4(3):569-571.

[8]王蔚生,窦晓鸣,黄维实.液晶投影机光棒照明系统的分析与设计[J].光学仪器,2004,26(4):36-40.

[9]仲跻功.太阳模拟器光学系统的几个问题[J].太阳能学报,1983,4(2):187-193.

[10]陈大华.氙灯的技术特性及应用[J].光源与照明,2002(4):18-20.

太阳能电池产业结构面临调整 篇4

政策支持为太阳能电池产业带来机遇

随着中国《可再生能源法》的颁布实施, 未来两年中国光伏产业规模将迅速扩大, 中国的太阳能电池产业逐渐走向成熟。国家4万亿元的投资中, 节能环保和新能源行业将扮演重要角色, 这些投资将有力带动太阳能电池产业的快速发展。

薄膜技术迎来发展机遇

众多的非晶硅光伏电池技术中, 薄膜太阳能电池技术最接近大规模产业化。未来两年, 薄膜技术的进步、转换率的提高将逐渐凸现薄膜太阳能电池的成本优势。受硅材料的限制, 各大厂商已开始转而投产薄膜技术, 2009年这种趋势将更加明显, 这将促使薄膜技术的成熟大大提前。随着各大厂商薄膜技术的陆续投入和量产, 短期内虽然不能完全取代晶体硅技术, 但凭借其成本优势, 市场份额将会迅速上升, 迎来发展的春天。

产业链面临局部调整

太阳能发电 (光伏发电) 的产业链条包括上游的多晶硅生产, 中游的硅片切割和太阳能电池片生产, 下游是太阳能电池组件生产。随着业内厂商对上游利润的逐渐摊薄预期, 将会有越来越多的企业将目光投向中下游。上游厂商和风险投资将会加大硅片切割、太阳能电池片生产的资本投入, 产业一体化的趋势有所加强。

国内市场需求有待提升

短期内, 我国太阳能电池产业对硅料原材料和终端市场的双重依赖依旧无法缓解。太阳能主要原料多晶硅90%以上须从国外进口, 而终端产品90%以上又必须出口国外市场。国内市场对太阳能电池的需求有待提升。

高效晶体硅太阳能电池结构分析 篇5

1 PESC太阳能电池

钝化发射极太阳能电池 (Passivated-Emitter Solar Cell, PESC) 是第一个转换效率超过20%的晶体硅太阳能电池[1]。PESC太阳能电池效率的提升得益于微型槽技术, 也就是选择性刻蚀暴露晶面的表面纹理技术。微型槽能够减少光线在电池表面的反射;垂直光线首先到达微型槽表面, 经表面折射后以41°角进入硅片内部, 使光生载流子更接近太阳能电池的发射结, 因而提高了光生载流子的收集效率, 还使得发射极横向电阻降低了3倍, 降低发射结电阻可提高电池的填充因子。

PESC太阳能电池的主要特征是表面氧化层钝化技术。经磷扩散制得发射结后, 在太阳能电池背面沉积上一层铝并使Al和硅形成合金制得Al背场, Al背场既可以起到吸杂的作用, 又在电池背面建立起一个电场, 阻止载流子向背面迁移, 降低了背表面的复合。接着采用氧化工艺在表面生长一层二氧化硅, 正面氧化层可大大降低载流子的表面复合速率, 因此提高了太阳能电池的开路电压。PESC太阳能电池的金属电极先由剥离方法形成Ti-Pd接触, 然后电镀Ag构成。这种接触有大的高宽比和小的接触面积, 镀Ag也提高了电极的导电能力, 因此PESC太阳能电池的填充因子可以做到大于83%, 转换效率也达到了20.8% (AM1.5) 。

2 PERL太阳能电池

钝化发射极、背面局部扩散 (Passivated-Emitter and Rear-Locally diffused, PERL) 太阳能电池是转换效率的保持者, 其转换效率高达25%[3]。

PERL太阳能电池的特色设计是采用逆金字塔绒面结构, 绒面上沉积Mg F2与Zn S双层抗反射膜, 该结构使太阳光在第一次到达金字塔的一侧时就有机会进入太阳能电池内部。反射的部分太阳光经另一个金字塔侧面反射又能有机会进入电池内部, 从而增加太阳光进入太阳能电池内部的机会。太阳光进入太阳能电池后, 在朝着太阳能电池背面行进的过程中大部分被吸收, 而未被吸收的长波段的入射光在到达背面时会被反射重新回到太阳能电池中来, 这是因为背面蒸镀了一层铝之后, 能形成一个有效的反射系统。倒金字塔和背面反射的相互结合形成了有效的陷光结构, 可增加太阳光在电池内部的光学长度, 提高电池的短路电流。

PERL太阳能电池利用热氧化层双面钝化发射极和背面, 降低了表面态, 减少了少数载流子的复合, 降低反向饱和电流密度, 改善了太阳能电池的光谱响应。使用BBr3和PBr3液态源进行分区扩散掺杂, 栅线电极下进行浓磷扩散, 减少电极接触电阻;受光面进行淡磷扩散, 降低横向电阻功耗, 改善短波响应。

3 埋栅太阳能电池

埋栅太阳能电池 (Buried-Contact Solar Cell, BCSC) 制作过程[4]是先去除损伤层和制绒, 再在整个硅片表面进行浅扩散和氧化。制作过程无需经过除磷硅玻璃的步骤, 而是利用激光将太阳能电池表面刻蚀出沟槽, 这也是埋栅太阳能电池最具特色的设计, 其沟槽深度不可太大, 否则会影响到电池的开路电压。化学腐蚀的方法对沟槽进行了清洗后, 进行第二次扩散, 即实现在接触区域选择性的磷扩散, 此次扩散浓度比第一次浓得多。接下来就是用化学镀将金属嵌入太阳能电池表面的一系列狭窄槽内。

埋栅太阳能电池电极位于电池内部, 减少了电极的遮蔽面积, 不仅增加了入射光的吸收, 改善了开路电压, 也改善了串联电阻效应, 降低了电极的载流子复合速率, 也使得填充因子增加, 所以整体而言太阳电池效率提高了很多, 达到了19.9%。

4 背面点接触太阳能电池

背面点接触 (Interdigitated Back-contact) 太阳能电池利用了点接触 (Point-contact cell, PCC) 及丝网印刷技术[5]。Sunpower公司采用n型区熔硅作为衬底材料, 前表面无栅线, 没有电极的遮挡, 并通过金字塔结构和减反射膜来增强太阳光的吸收, 提高了太阳能电池的陷光效应。电池的表面采用热氧化工艺生成二氧化硅钝化层, 降低了表面复合, 提高了电池的开路电压。背面电极与硅片之间通过二氧化硅钝化层中的接触孔实现了局部性的背面点接触, 减少了金属电极与硅片的接触面积, 进一步降低了载流子在电极表面的复合速率, 提高了电池的开路电压, 也使得电池效率最高达到了23%。后来为了降低成本, 已逐步采用n型直拉单晶硅材料作为衬底材料, 太阳能电池效率也可达到19%以上。

5 HIT太阳能电池

HIT太阳能电池采用异质结结构[6], 结构的特色是在非晶硅和晶体硅之间夹有一层本征非晶硅层。结构的实现是基于三洋公司在制备高质量低损伤非晶硅薄膜和非晶硅太阳能电池时采用的等离子体薄膜沉积技术。

制作流程是首先进行硅片的清洗, 接着用PECVD法形成非晶硅薄膜层, 表面一侧形成i型非晶硅层以及p型非晶硅层, 背面形成i型非晶硅层以及n型非晶硅层, 再在两面形成的非晶硅层上沉积透明导电膜和金属电极, 完成整个电池片的制作。

HIT太阳能电池的高效率, 是由太阳能电池的短路电流、开路电压和填充因子优化得到的。使用优化的绒面增强对太阳光的俘获, 采用高质量宽禁带宽度的合金窗口材料以减少窗口层的光吸收, 开发具有高载流子迁移率的透明导电膜, 优化电池的背面场设计, 制备优良的栅线电极等都有利于获得高短路电流。在沉积非晶硅之前清洁晶体硅的表面, 沉积高质量本征非晶硅薄膜实现对晶体硅表面缺陷的有效钝化, 在非晶硅薄膜沉积过程中尽量减少对晶体硅表面的等离子体损伤, 优化非晶硅与晶体硅之间界面的能带结构都有利于提高电池的开路电压。获得高的填充因子的方法是使用低电阻的电极材料, 设计具有大的高宽比的栅线和高导电性的P型窗口层, 还有就是减小透明导电膜的串联电阻。

最后, 需要提到的是日本的三菱公司开发的多晶硅太阳能电池, 该电池采用新的制程与材料, 首先是利用纳米掩膜和RIE刻蚀技术进行微加工制绒, 可以降低硅片光面的反射, 藉此增加光吸收量。采用新材料来制作栅线电极, 降低连接电阻, 并且还细化了栅线, 使得发电面积增大, 发电量增加。也正是由于这些细节改变, 使得新开发出来的太阳能电池转换效率可以一口气提升到18.9%[6]。

摘要:晶体硅太阳能电池占据了光伏市场的主要份额, 在产业化的道路上一直追求高效低成本。晶体硅太阳能电池的性能与其结构息息相关, 文章介绍了几种高效晶体硅太阳能电池的结构, 分析了其结构特征和性能参数。

关键词:晶体硅太阳能电池,高效,电池结构

参考文献

[1]A.W.Blakers, M.A.Green.20%Efficiency silicon solar cells[J].Appl.Phys.Lett.48 (1986) 215-217.

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[4]Emmanuel Van Kerschaver, Guy Beaucarne.Back-contact solar cells:a review[J].Progress in Photovoltaics:Research and Applications, Volume 14, Issue 2, pages 107-123, March 2006.

[5]Takahiro Mishima, Mikio Taguchi, Hitoshi Sakata, Eiji Maruyama.Development status of high-efficiency HIT solar cells[J].Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 95, Issue 1, January 2011, Pages18-21.

太阳风结构 篇6

关键词:太阳照常升起,戏剧结构,陌生化,有意味的形式

如果只以商业的价值来衡量影片的话, 《太阳照常升起》的表现真可谓是表现平平。但是从整个中国电影的发展走向来看, 《太阳照常升起》确实是近年来中国影坛为数不多的进行了新探索、新尝试的一部好片, 当然我个人认为它也是姜文导演的一次突破。与欧美的观众相比, 我国的观众对电影的审美似乎还停留在比较传统保守的位置, 像这样结构分散并且含混的影片确实容易让人心生抗拒。可是恰恰该片最大的魅力却也正在于这看似分散的结构方式。姜文导演的二度创作让原著焕发出了不一样的生机。

《太阳照常升起》改编自叶弥的小说《天鹅绒》, 《天鹅绒》的故事讲述的是主人公唐雨林被下放到一个偏远山区改造, 在此期间他的老婆与生产队长发生了婚外情, 二人因为唐妻的肚子是否像天鹅绒产生了分歧, 为了向没有见过天鹅绒的小队长证明自己是正确的, 唐雨林离开村庄满世界寻找天鹅绒未果。正像叶弥小说一贯所爱表现的那样, 叶弥将这些各式各样的小人物置放于特定的时空与生活情景之中, 从他们日常的生活琐事入手, 去捕捉他们柔软而又微妙的内心情感变化瞬间, 刻画出他们在环境与命运的挤压之下的生命走向。透过这些小人物的生命走向透析、审察中国转型期所出现的社会伦理沉沦、价值信念式微等一系列社会问题。

到了电影《太阳照常升起》中, 则发生了很大的变化, 姜文导演首先对剧情有了很大的变动。例如, 加重了对“疯妈”的表现, 并且影射了“疯妈”可能就是老唐年轻时候的情人, 而他亲手打死的小队长就是他的亲生儿子。当然, 最值得称道的还是, 导演对于结构的巧妙构思。全片呈板块式的结构, 共有四大板块, 四大板块之间相互独立、勾连、咬合而构成全片。在叙事上也没有采取线性的叙事方式, 而采取D-A-B-C, 并且A、C板块之间还是相互延续的非线性的叙事方式。如果给每一个板块都起一个主题性的名字的话, 那么大致可以用“疯”、“恋”、“枪”、“梦”四个字来表示。

首先我们从“疯”说起。故事发生在1976年的春天, 中国南部的一个小村庄里。如果抛去上一代人的恩怨纠葛, 那么这个板块就可以单纯地看成是一个乡间儿子与他的“疯妈”互相“抗争”的过程。在短短的半小时的时长里, 影片关于她到底经历了怎样悲惨的遭遇, 并没有大肆铺排渲染, 只是在我们看到她的时候, 她就已经疯了。并且“疯”得是那样的神经质, 给观众留下了深刻的印象。一个未婚女子带着一个孩子, 在生下儿子后, 孤身一人将孩子带到他父亲的老家进行抚养, 在那样的一个封建的年代, “疯妈”可能是被邻里的闲话逼疯的, 抑或者是历史环境的原因造成了她的现状。总之这一板块所传达出的是一种被压抑的“疯狂”之感。

第二个板块“恋”。与其说是“恋”倒不如说是情欲的释放。故事发生在1976年的夏天中国的某所学校。颇有才气的梁老师弹得一首好吉他, 赢得了众女职工们的倾慕爱恋。尤其是林大夫更是不掩饰她对梁老师的喜爱之情。在这段中, 导演安排了一场众人抓流氓的事, 梁老师被当成是摸人屁股的流氓, 林大夫企图通过这件事证明她二人相爱的关系却未果。有趣的是, 梁老师在真相大白, 被洗脱冤屈后却选择以自杀的方式来证明自己。在这里, 梁老师更像是那个情欲被压抑、人民无理智的年代牺牲品的象征。

第三段故事“枪”, 发生在1976年秋天中国南部的一个小村庄里。这段故事承接于第一段故事, 老唐因为犯错被下放到农村进行改造, 他到的那天正好是“疯妈”失踪的那天。枪是暴力的象征, 并且也是贯穿全剧的一个意象。每次有纷争的时候, 电影里总会响起枪声。在这看似荒诞的故事下面, 我们所感受到的仿佛仍是那个丧失理智动乱的年代。

第四段故事“梦”, 发生在1958年冬天中国的西部。这部分不仅交代了事件的前因后果, 更带有“超现实主义”的色彩。怀着孩子的“疯妈”与年轻的唐妻在旷远的西部相遇, 她们一个走向了“尽头”寻找几年前承诺下的爱情, 一个走向了“非尽头”却被告知爱人死亡的噩耗。两条道路两种命运, 最终二者交汇在了一起, 当老唐与妻子在旷野狂欢着举行婚礼的时候, 搭载着“疯妈”的火车呼啸而过。“疯妈”在火车上生下了孩子, 并奇迹般地让火车停下, 发现孩子生在花团锦簇的铁轨之上。最终, “疯妈”接受命运, 回归现实, 对着刚升起的太阳大喊“阿廖沙, 别害怕, 火车在上面停下了, 他一笑, 天就亮了”。或许作者想告诉我们的正是, 不管现实是如何的残酷、荒诞、动荡, 太阳终归会照常升起。

除此之外, 我们还不得不提精彩的配乐在影片结构中起到的作用。尤其是《美丽的梭罗河》一曲几乎在影片的每一片段中都有出现和延续, 并且运用转场进行了完美的衔接。音乐并没有打断叙事的完整性, 相反, 它恰恰从整个音乐的角度使全篇更加完整, 它已经超越了电影音乐最初“抒情”的功能, 以其“戏剧性”的功能参与了影片的二度创作, 并且使每个板块都具有了象征的意义。

由此可见, 影片叙事的结构有时可以独立成为一种“有意味的形式”而具有独特的审美感。在影像越来越唾手可得的今天, 观众对于影像的多种叙述方式已经了然于心, 所以就要求我们在传统叙事的基础上力求出新。近年来, 一些广受好评的电影, 如《盗梦空间》《记忆碎片》《通天塔》《撞车》等影片的成功都是来自于对叙事结构的把玩。其实对于叙事电影来说, 好的故事和好的讲故事的方式同样重要。当然, 花巧的结构也只有紧紧以为影片内容服务为中心才不至于成为空洞的花架而陷入“形式主义”的泥潭。

参考文献

[1]王静.太阳升起后的思考——电影《太阳照常升起》叙事和审美分析[J].电影文学, 2009 (3) .

[2]魏玲.电影《太阳照常升起》的音乐分析[J].电影文学, 2008 (12) .

太阳风结构 篇7

新一代航天器一般都可以看成中心刚体加柔性附件式的多体结构, 其突出的特点是具有大型的柔性附件 (包括太阳帆板、天线等) 。由于太阳帆板或大型天线的结构大、柔度大、阻尼弱, 在航天器的机动过程中, 航天器中心刚体和挠性附件之间存在着强烈的刚挠耦合, 会导致结构的持续振动, 又由于太空无空气, 不存在空气阻尼, 挠性附件的振动衰减缓慢。降低挠性结构的振动的最有效的方法是近年来发展起来的主动控制技术。变结构主动控制的一个特点是在滑动模态下对系统参数变化和外部扰动具有很强的鲁棒性。应用变结构控制对太阳帆板进行振动抑制[1,2], 设计出一种鲁棒性强的变结构控制律, 从而有效抑制了太阳帆板的大幅度振动。利用SMA丝在约束条件下改变其温度[3,4], 可以产生很大恢复应力的特点。将SMA丝植入帆板中, 形成SMA驱动器, 采用经典线性最优控制有效抑制了帆板的小幅度振动。

1 动力学模型

系统简化模型如图1所示, 它是由中心刚体和固连在刚体上太阳帆板 (可以看成挠性梁) 构成。假设刚体被限定在只能绕通过O点的垂直轴作旋转运动, 挠性梁在水平面内运动。忽略梁的轴向延伸和扭转变形, 只考虑梁的弯曲变形。挠性梁沿y方向振动位移为u, 主体转动惯量为JC, 转动角为θ, 固支点到中心O的距离为r, 设挠性梁的质量密度为ρ, 抗弯刚度为EI, 长为L, 宽为W, 厚为H。将一组SMA丝植入距离太阳帆板中心层b的上下两侧的孔内并且两端固定。其中每组分别由N根SMA丝构成, 如图2所示。

当通入电流使上半驱动器升温, 而下驱动器不通电时[图3 (a) ], 上半组SMA丝将收缩并产生应力, 该应力和SMA丝到帆板中性轴的距离b的乘积即为抵抗帆板运动的恢复力矩Ma。同时, 由于帆板本身的刚度, 也产生一定的恢复力抵抗梁的振动。当通入电流使下半驱动器升温, 而上半驱动器不通电时[图3 (b) ], 下半组SMA丝将收缩并产生一定的应力, 同时将产生抵抗悬臂梁运动的恢复力矩Mb。若根据一定的控制规律, 交替对两个SMA驱动器进行加热和冷却, SMA丝将会重复收缩和膨胀, 并产生所需的控制力矩。

由SMA丝所产生的任意时刻控制力矩为

M (t) =Fa (t) b-Fb (t) b=

[∑Amσm (t) -∑Anσn (t) ]b (1)

式中:Fa (t) 和Fb (t) 分别为t时刻SMA上下驱动器中所有SMA丝拉力的合力;m为上半SMA驱动器中SMA丝的代码;n为下半SMA驱动器中SMA丝的代码;Am, An分别为第m和第n根SMA丝的截面积;σm (t) , σn (t) 分别为第m和第n根SMA丝t时刻的应力。

应用SMA的Brinson本构模型[5], 即dσ/dt=D (ξ) dε/dt+Ω (ξ) (dξs/dt) +Θ (ξ) (dT/dt) , 其中, σ为第二类Piola-Kirchhof应力, ε为Green应变, ξ为马氏体的质量分数, D (ξ) 为形状记忆合金的弹性模量, Ω (ξ) 为形状记忆合金的相变系数, Θ (ξ) 为形状记忆合金的热弹性系数, T为温度。可以得到电流强度与应力之间的关系为[4,6]:

dσdt=-λ21-λ1[4hLdCv (Τ-Τe) -ρeΙ2 (t) ] (2)

式中:Te——环境温度;

Cv ——材料的比热;

hL ——SMA的热交换系数;

d ——SMA丝的直径;

ρe ——SMA的电阻率;

I (t) ——电流强度;

λ1和λ2 ——与相变状态有关的量。

u (x, t) 表示帆板上坐标为x (ox的长) 之点于t时刻沿y向振动位移。并设帆板上x点的运动规律为:

u (x, t) =nj=1φj (x-r) qj (t) =φq

其中φj ( x-r) ( j=1, 2, …, n ) 为帆板各阶振型, qj (t) 为模态坐标, 由Lagrange方程得到系统的动力学方程如下:

式中:J=Jc+∫rr+Lρx2dx——卫星整体转动惯量;

G=∫rr+LρxφTdx——中心刚体与太阳帆板的耦合矩阵;

φT=diag (ω12, ω22, …, ωn2) ;

φT=diag (2ζ1ω1, 2ζ2ω2, …, 2ζnωn) ;

C, K——分别为阻尼、刚度阵;

ζi, ωi (i = 1, 2, …, n) 分别为帆板的固有频率和阻尼比;

uc, up——分别为作用在中心刚体上的力矩和施加在SMA丝上的电流;

y——传感器的输出位移;

D ——SMA驱动器对各阶模态的影响矩阵;

Rs ——传感器的输出影响矩阵。

考虑到挠性振动的能量主要集中在低阶模态, 高频模态振幅小, 能量小, 不易被控制系统激励, 可以当作扰动看待。文中取一、二阶模态, 取状态向量, x=[θqΤθ˙q˙Τ]Τu=[ucupΤ]Τ, 则挠性卫星太阳帆板的动力学模型为:

:A=[0010000Ι0J1GΤφΤΚφ0J1GΤφΤCφ0-J2JφΤΚφ0-J2JφΤCφ]B=[0000J1-J1GΤR-J2GJ2JR]E=[0RS]J1= (J-GΤG) -1, J2= (JΙ-GGΤ) -1

3 变结构控制[7]

选取滑模超曲面:

s=feθ+e˙θ (5)

式中:eθ——因外界扰动所产生的转角误差;f>0。

采用如下的趋近率:

s˙=-ksgn (s) (6)

从而可以得到:

u=-GΤφΤΚφq-GΤφΤCφq˙- (J-GΤG) ×[fe˙θ+ksgn (s) ] (7)

其中:k为任意正数;

sgn (s) 为符号函数。

该控制律必然引起变结构控制系统的固有颤振, 由于控制的高频切换可能激励挠性帆板的高频模态。因此, 必须对上式进行修正, 以消除颤振。

所以用饱和函数sat

(s) ={1sδsδ|s|δ-1sδ

代替符号函数sgn (s) , 则式 (7) 修正为:

u=-GΤφΤΚφq-GΤφΤCφq˙- (J-GΤG) (fe˙θ+ksat (s) ) (8)

图4~图6分别为太阳帆板受控制情况下卫星主体角位移θ以及太阳帆板自由端部位移u随时间的变化情况, 各个元素的参数值详见文献[8]。结果表明, 变结构控制律[式 (8) ]能有效地抑制太阳帆板的振动, 并可实现航天器大角度机动, 但在太阳帆板自由端部仍存在小幅度的弹性振动。

4SMA驱动器的经典线性最优控制

SMA驱动器的控制采用经典线性最优控制。

up=F[qq˙]=-12R-1ΗΤΡ[qq˙]

式中:R——控制力向量权矩阵;

H——位置指示矩阵;

L——nXm维控制装置位置矩阵, 当第i个自由度上装有第j个控制装置时, Lij=1, 其余元素为0;

P——Riccati矩阵。

代入式 (3) 中, 新的状态方程为

x˙=Ax+Buc

其中:

A=[001000010J1GΤφΤ (Κ+DF) φ0J1GΤφΤ (C+DF) φ0-J2JφΤ (Κ+DF) φ0-J2JφΤ (C+DF) φ]B=[00J1-J2G]

采用如下的趋近率

s˙=-ksat (s)

则滑模变结构控制律为u=-GΤφΤ (Κ+DF) φq-GΤφΤ (C+DF) φq˙- (J-GΤG) (fe˙θ+ksat (s) )

由图6可以看出, SMA驱动器能够快速抑制帆板的小幅度的弹性振动, 改善系统的性能, 实现大角度机动。

5 结论

在航天器的机动过程中, 通过滑模变结构控制策略以及SMA驱动器, 迅速抑制挠性附件因机动而激发的振动以及在机动末端不产生大超调, 从而保持机动过程平稳, 并迅速实现高精度姿态定位, 改善系统的性能。

参考文献

[1]周连文, 周军, 李卫华.挠性航天器姿态机动的主动振动控制[J].火力与指挥控制, 2000, 31 (6) :31-33.

[2]李新国, 陈士橹.挠性卫星太阳帆板的变结构主动控制[J].西北工业大学学报, 1997, 15 (1) :84-87.

[3]王军, 郦正能, 叶宁.形状记忆合金智能结构的主动振动抑制研究[J].航空学报, 2002, 23 (5) :427-430.

[4]刘建涛.应用形状记忆合金 (SMA) 的主动结构控制研究[D].天津:天津大学.

[5]Liang C, Rogers C A.One-dimensional thermo mechanical con-stitutive relations for shape memory materials[J].Intelligent Ma-terial Systems and Structures, 1990, 1:207-234.

[6]杨凯, 辜承林, 史铁林, 等.新型SMA驱动器设计与控制[J].机械设计与研究, 2004, 20 (2) :26-28.

[7]高为炳.变结构控制理论基础[M].北京:中国科技出版社, 1990.

太阳风结构 篇8

关键词:光伏跟踪系统,传动结构,控制系统,理论探讨

1 前言

太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 然而它也存在着密度低、间歇性、空间分布不断变化的问题, 这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。太阳能光伏发电装置采用跟踪技术可以提高光伏电池的使用效率, 从而有效降低整个发电系统的成本。跟踪系统作为承载整个太阳能光伏系统的结构, 具有极其重要的作用。本文主要对跟踪器结构的设置以及可行性的方案进行研究。

2 理论探讨

2.1 整体结构

以跟踪器 (图1) 为例我们可以看到, 该跟踪器主要机械结构有支架、轴承座、轴与轴承、蜗轮蜗杆传动系统、箱体支架。同时, 还有伺服系统、位置传感器、行程开关传感器、伺服电机等控制系统。

2.2 轴承结构及配合

在整个跟踪系统中, 支架部分承载整个跟踪器的负荷, 其设计和制造应体现牢固稳定的特征, 应采用圆筒形结构钢材质, 该结构稳定, 装卸方便, 制造与采购方便, 下表面焊圆盘与底面相接, 并焊接支撑肋板增加其强度。

支架上面是轴承座, 其作用是支撑轴承。

轴承套在轴承座上, 起到滚动或者滑动的作用, 使轴转动并保持稳定。这一部分主要应考虑以下几个问题: (1) 轴承座与下面支架同轴的问题。 (2) 轴承座与轴承相连部分公差选择以及加工精度的问题。 (3) 轴承座的安装问题。

轴承座内为传动轴。传动轴作为传动部件, 主要应注意的就是轴表面公差配合加工精度以及轴长的选择。轴加工精度的选择主要用来保证轴与轴承的之间的连接, 这部分的连接影响了转动的精度, 因此, 轴与轴承连接部分的加工需要有较为严格的要求。

2.3 蜗轮蜗杆的配合

蜗轮蜗杆作为一种普遍采用的减速传动装置, 其作用一是传递扭矩, 二是减速。同时, 当蜗杆的导程角小于轮齿间的当量摩擦角时, 该装置还具有自锁功能, 能够在机器停止运动的时候自我固定, 不会因外力的改变而转动。

蜗轮蜗杆的配合主要应该考虑以下3点:中心距离的把握;承受扭矩的计算;侧隙的控制。

其中, 中心距离的把握同侧隙的控制以及产生的扭矩量均有关系, 因此十分重要。如果中心距离过大, 将会使侧隙变大, 传动精度将会明显降低, 同时扭矩也将减小;而如果中心距离过小, 将会使蜗轮蜗杆咬得过紧, 使传动变得困难, 时间久了磨损较大, 会降低零件寿命。

因此, 不但要在设计上对中心距离进行把握, 同时应该在加工制造上进行严格要求。

2.4 蜗轮所在传动轴的选择

传动轴作为整个跟踪器最为重要的部分, 其作用是支撑负载以及传动, 使整个负载可以通过控制按照所要求的方向旋转或停止。这一部分我们主要关心的问题是轴与轴承的选择以及它们之间的配合。

转动轴作为支撑部件, 其意义在于不但承载了上面的重量, 同时带动上面负载进行转动。但是实际上作为支撑部件的是轴承, 并不是轴, 因此, 对轴承的选择十分重要。同时, 轴承的性能指标以及承载能力是研究的重点。

在轴的确定上, 轴长的选择也影响到了传动精度, 因为轴越长, 轴转动时候跳动的量所对应的角度越小。在设计时应考虑轴长对传动精度的影响, 并将之放在整体设计方案中。

2.5 箱体支架的选择

如图2, 箱体应体现安装方便, 维护方便, 密封可靠, 对准精度高等特点。主要有以下几方面要求: (1) 防潮防水。控制箱体内部水汽, 防止聚光镜表面聚集液化水汽而影响聚光质量, 同时还要注意防水密封, 使雨水能不进入箱体内部。 (2) 密闭。防止进入灰尘, 因为灰尘聚集会干扰光聚光效率。 (3) 对准精度。即表面的聚光镜片要与下面电池片保持相对平行, 并一一对准, 这个精度主要通过箱体一体化加工来保证, 并需要校准。 (4) 散热。作为聚光系统, 所聚集的光具有极大的能量, 同时电池片通过光电转换也会产生一部分热量。这些热量如何散掉是重要问题。电池下面要放置散热片, 同时箱体底板做散热装置均为有效控制热量的解决方案。 (5) 压强。空气会因为受热而膨胀。由于箱体通过聚光镜吸收热量, 导致内外热量不平衡;或由于外部变热, 而内部过冷, 这两种情况均会产生压强差, 使聚光镜发生或大或小的形变, 影响聚光效率。

2.6 支架的选择

支架的选择尽量遵循使负载靠近转轴所在轴的原则, 这样, 使负载的重心尽量靠近旋转中心, 减少了不必要的功耗, 增加了设备的稳定性。支架的安装及选择还要注意采用何种搭配方式安装, 以及承载力矩的问题。

2.7 电机的选择

电机有很多种, 其中伺服电机最为可靠和方便。其主要原理:伺服电机内部的转子是永磁铁, 驱动器控制的U/V/W三相电形成电磁场, 转子在此磁场的作用下转动, 同时电机自带的编码器反馈信号给驱动器, 驱动器根据反馈值与目标值进行比较, 调整转子转动的角度。伺服电机的精度决定于编码器的精度 (线数) 。

选用伺服电机控制方便, 技术成熟。同时, 与测量太阳方位的光敏传感器在控制系统上相互结合也较为妥当。

3 结构设置

3.1 跟踪器的结构设置所应考虑的问题

(1) 设计上应尽量符合以上叙述的原理与内容。 (2) 针对特定负载进行适当调整。 (3) 同时具有高精度高成本以及低精度低成本两套方案。 (4) 对控制部分提出要求, 需要主控部分对机械的无法预测的跳动或变化进行调整与补差。

3.2 跟踪器的跟踪精度探讨。

跟踪器作为一个精密机械, 其机械结构大, 同时要求精度高。跟踪精度是太阳能跟踪装置重要指标之一。一般来说, 装置规模越大, 要求的跟踪精度越高。因此, 不但要在机械精度上进行保证, 同时在控制部分应该予以配合与调整, 使最终的跟踪精度能够达到预定的要求。

首先, 在设计过程中要保证可以承受负载的转动, 这需要通过承载负载的轴承来保证。

其次, 对负载的传动的驱动元件电机进行设置。电机的设置涉及到转动物体的角加速度、负载物体的材质、形状、尺寸等。另外, 由于应用了伺服控制系统, 所以尽量选用伺服电机, 方便控制。

最后, 对加工精度提出要求。加工精度以及公差配合始终是制约仪器机械精度的主要原因, 标注好公差以及保证加工精度是使跟踪器最终能够达到跟踪精度的主要保证。重点注意以下几点: (1) 轴和轴承的配合。 (2) 法兰盘与轴承的配合。 (3) 滚子与盘的配合。 (4) 蜗轮蜗杆的配合。 (5) 轴承与轴承座配合。

以上因素均应考虑在设计的过程中。同时, 由于各个工厂加工水平的不同, 能否保证高精度的加工精度, 同样应做到心中有数。这样, 最终的产品精度就可以尽量接近实际跟踪精度。使整个设计达到最初要求的精度范围内。

4 两个方案

如表1所示, 分别为高精度方案以及低精度方案。高精度方案可行性较高;低精度方案具有实际应用价值, 是一个极为重要的工程尝试。

在实际的结构设置中, 还要考虑很多应用的因素, 在前期的设计制造中应给予足够的重视。

5 结语

本文从原理探讨和结构设置两部分对跟踪器可行性进行研究, 并从机构设计、机械加工、动力控制等角度加以分析, 借以证明其可行性。

跟踪器的设计和制造, 从理论上基本能够满足应用的要求, 但是在实际的生产应用上, 还需要多方协商改进。尤其是结构设置的好坏直接关系到最后产品的生产制造以及科研应用。

参考文献

[1]尹方仪.太阳能跟踪聚光系统的研究[J].太阳能学报, 1984, 5 (1) :59-62.

[2]陈维.太阳能利用中的跟踪控制方式的研究[J].新能源及工艺, 2003 (3) :18.

太阳风结构 篇9

关键词:太阳能跟踪系统,斜单轴,倾角可调,支架结构

1 引言

近年来人们对能源、环境问题日益关注, 新能源的利用越来越受到重视。太阳能作为一种清洁的新型能源, 其应用领域越来越广泛。在我国太阳能资源非常丰富, 但太阳能也存在能量密度低、间歇性等缺点, 其光照强度和光照方位也会随着时间和气候不断变化, 因此如何充分利用太阳能, 提高太阳能利用率则是一个必须解决的问题。目前对太阳能的利用主要有光热利用和光电利用两种方式。

在太阳能光伏发电系统的应用中, 影响太阳能利用率的环节和因素很多, 如:光伏组件的效率、逆变器效率、变压器效率、交直流线损及配电损耗等。在这些影响因素中, 各种损耗可通过优化设计、运行维护来适当降低, 进而提高系统效率, 但幅度空间有限。光伏组件、逆变器、控制器、变压器等设备的效率, 在现有科学基础上更很难有大幅度提升, 同时也会消耗大量的人力物力财力, 且收效甚微。

除了上述影响因素外, 还有一个很重要的影响因素却往往为人们所忽略, 那就是光伏支架。人们往往忽视光伏支架的重要性, 也很少能像研发光伏电池和逆变器那样投入过多的精力和人力物力, 因此光伏支架在一个光伏系统中通常被处于次要位置、通常也不能充分发挥出光伏支架对整个光伏系统效率和发电量的贡献。而事实上, 设计合理的光伏支架可以大幅度提升光伏系统效率, 其潜在空间很大、投资回报率很高。

目前的光伏支架大致有以下几种型式:

最佳倾角固定式支架、按一年四季特性手动可调式支架、水平单轴跟踪式支架、斜单轴跟踪式支架、双轴跟踪式支架。其中最佳倾角固定式支架为目前光伏电站最常用也是最主要的支架形式。

不同光伏支架形式的本质区别在于光伏系统发电量的差别和成本的差别。采用跟踪式支架比采用固定式支架的光伏系统发电量高, 不同纬度下, 发电量提高率会有所不同。相比较于采用最佳倾角固定式支架的光伏系统, 采用水平单轴跟踪式支架的光伏系统可提高发电量约20%-30%, 采用斜单轴跟踪式支架的光伏系统可提高发电量约25%-35%, 采用双轴跟踪式支架的光伏系统可提高发电量约35%-45%。在成本方面, 双轴跟踪式支架相对较高, 且其结构及控制复杂、可靠性稳定性差。固定式支架, 因结构简单, 安装维护方便, 成本低, 被广泛应用, 但其限制了光伏发电量的进一步提高。单轴跟踪式支架在发电量和成本方面, 介于双轴跟踪支架和固定式支架之间, 其中斜单轴通常更优于水平单轴。

把斜单轴跟踪式支架和按一年四季特性手动可调式支架的特性结合起来, 优势互补, 可以形成倾角可调的斜单轴跟踪系统, 其发电量相比较于固定倾角的斜单轴跟踪系统, 发电量进一步提高, 与双轴跟踪系统相比, 其发电量已非常接近, 成本方面却比双轴跟踪系统低得多, 投资回报率非常高, 优势明显。

虽然倾角可调的斜单轴跟踪系统优势很多, 但目前还只停留在概念上, 国内还没有此类光伏系统的规模化实际应用, 究其原因, 主要有以下几方面:

(1) 与普通斜单轴跟踪系统相比, 倾角可调的斜单轴跟踪系统其概念上的结构还是很复杂。

(2) 安装、调节麻烦, 加工、维护成本高。

(3) 可靠性低。对于应用在荒漠地区、高寒高海拔地区、风沙雨雪较多的地区的大规模光伏电站, 其调节难度大、调节工作量大, 跟踪故障率高, 可靠性低。

上述原因, 严重制约了倾角可调的斜单轴跟踪系统的在实际光伏电站中的规模化推广应用, 其价值和优势无法得到体现。

针对上述问题, 现提出一种结构简单、安装维护方便、成本较低、稳定可靠的倾角调节新思路和角度调整的简易结构, 并研究其适用性。

2 斜单轴太阳能跟踪系统的倾角调整形式

2.1 对目前已有几种倾角调整形式的分析

目前倾角可调的斜单轴跟踪系统, 主要有类似图1和图2所示的两种或多种变通形式, 且只处于概念上倾角可调或仅仅处于试验室的研究试制阶段, 并未形成实际意义上的项目应用。

图1所示结构中, 前立柱为单立柱铰链结构, 后立柱为附带伸缩调节杆结构。后立柱的结构形式可以是I型单立柱结构或八字形双立柱结构。斜单轴跟踪系统的角度调整是通过调整后立柱附带的伸缩调节杆的伸缩量来实现角度的调整。该种角度调整机构, 表面上似乎角度很容易调整, 但实际应用上角度调整功能实现结构复杂、麻烦, 且无法完全实现四个季度的多角度完美调整。以上海地区为例, 假设春夏秋冬四个季度需调整的倾斜角度分别为10°、0°、26°、46°, 共四种角度, 图1所示结构的角度调整存在问题如下:

(1) 0°角度的调整实现较困难。为兼容其它调整角度, 需充分考虑到前立柱、后立柱、连杆之间调节高度的协调一致性, 其结构复杂、调整麻烦。

(2) 为适应角度调整及高度的变化, 后立柱及其联系的构件需具有多个额外的自由度。若后立柱不是单立柱结构, 而是八字形布置结构, 其所需的调节自由度更多, 结构更加复杂麻烦。

(3) 伴随着角度及高度的变化, 连杆也需增加转动自由度, 进而增加了结构复杂性, 可靠性降低。在联动式斜单轴跟踪系统中, 一般通过连杆及联动杆 (如图3所示) 在不同跟踪系统阵列之间专递推动力, 以实现一台电动推杆带动多个斜单轴跟踪阵列的功能, 从而简化驱动、降低设备及维护成本。

(4) 系统若能同时兼容0°及46°的角度调整, 则当角度调整为46°时, 高度H较高, 增加了系统抗风性要求, 系统成本增加。

(5) 系统加工及维护成本高, 稳定可靠性较低。

图2所示结构中, 前、后立柱皆为附带伸缩调节杆结构, 与图1所示结构相比, 在水平角度调整情况下, 对结构调整的灵活性和复杂性作了改善, 并有利于降低结构整体高度H, 从而可降低风荷载, 但该种结构在角度调整方面存在的结构复杂、调整麻烦等问题依旧。

图1和图2所示的两种结构在倾角调整的思路上基本相同, 都是通过调整立柱的高度来实现转动轴倾角及光伏组件倾角的调整。该种调节方式, 局限性大, 性价比低, 可调性差, 不适合光伏系统的规模化应用。

2.2 倾角可调的斜单轴跟踪系统的简易结构

2.2.1 结构形式分类

为适应光伏系统的规模化实际应用, 并充分发挥倾角可调的斜单轴跟踪系统的优势, 现提出一种倾角调整的简易结构, 既可广泛适用于各种小型户用或商用光伏系统, 也可适用于大容量地面电站, 其结构形式如图4、图5所示:

1.电动推杆;2.连杆;3.跟踪系统转动轴;4.铰链;5.光伏组件;6.轴承;7.前立柱;8.基础;9.转动梁;10.轴承;11.后立柱;12.基础;13.支撑杆

1.电动推杆;2.连杆;3.跟踪系统转动轴;4.转动梁转轴;5.光伏组件;6.轴承;7.前立柱;8.基础;9.转动梁;10.轴承;11.后立柱;12.基础;13.角度定位盘

图4所示的倾角调节结构形式为单端铰链配支撑杆倾角调节结构, 图5所示的倾角调节结构形式为转轴配定位盘倾角调节结构。

2.2.2 倾角调节原理与功能实现过程

图4、图5所示的倾角调节结构形式本质相同, 其倾角调节的原理是:将原本对跟踪系统转动轴3的倾角调节转移到对支撑固定光伏组件5的转动梁9的倾角调节, 从而避重就轻, 避开直接调整跟踪系统转动轴3面临的结构复杂性和难度, 选择倾角更容易实现简易调节的转动梁9来进行倾角调整。跟踪系统转动轴3的转动轴线始终保持水平位置, 这有利于大大简化转动机构, 降低结构复杂性和成本, 也有利于在类似图3所示应用中不同光伏阵列通过联动杆联动式传动时的稳定可靠性, 相应结构得到简化。

在图4所示的结构中, 转动梁9的一端通过铰链4与跟踪系统转动轴3固定, 转动梁9的另一端在拆去支撑杆13后可绕铰链4自由转动。光伏组件5与转动梁9之间通过安装支架 (檩条) 固定, 随着转动梁9绕铰链4的转动, 光伏组件5也随着一起转动, 从而实现光伏组件的倾角调整。支撑杆13可根据待调节的不同角度分别对应配备几种长度 (或采用伸缩式) , 其一端可与转动梁9或跟踪系统转动轴3以铰链方式固定, 另一端为销栓方式固定, 便于角度调节。

光伏组件5倾角调节完成后, 在每天的系统跟踪过程中, 电动推杆1在控制器设定的程序下作线性伸缩运动, 从而推动连杆2作前后摆动, 进而带动跟踪系统转动轴3转动。随着跟踪系统转动轴3的转动, 转动梁9和支撑杆13一起运动, 并带动光伏组件5作转动, 从而实现光伏组件方位角的调整。

不同斜单轴光伏阵列之间通过联动杆以联动方式进行传动, 从而实现多阵列光伏组件方位角的调整。

在图5所示的结构中, 转动梁9可绕转动梁转轴4旋转, 其转动角度可通过角度定位盘13定位。角度定位盘13上按需设有多个定位销孔, 与所需的各种调节角度对应。倾角调节完成后, 光伏组件5通过转动梁9和角度定位盘13与跟踪系统转动轴3固定牢固, 形成稳定结构。同图4所示的结构一样, 随着跟踪系统转动轴3的转动, 进而实现光伏组件方位角的调整。

2.2.3 适用性研究

图4所示的结构, 虽然调节方便, 结构简单, 但在实际应用中考虑到倾角调节的可操作性, 一般只适合模块化、小容量的户用或商用的光伏系统中, 例如以1KWp为一个调节模块。在1KWp的光伏系统中, 若采用4块250Wp的多晶硅常规光伏组件, 若每块光伏组件重19Kg, 4块组件共重76Kg。假如转动梁9和用于固定光伏组件5的安装支架 (檩条) 等附件的总重量为50Kg, 则光伏组件倾角调节时, 转动部分的总重量为126Kg, 若该部分重心居中, 则转动梁9由0°倾角开始调节角度时, 所需向上的起始抬举力约为总重量的一半, 该重量为一般户用家庭用户能接受的角度调节出力范围。为提高斜单轴跟踪系统支架利用率, 可在一个跟踪系统结构中设置2个1KWp调节模块, 分居跟踪系统转动轴3两侧, 倾角调节分别进行, 拼接处用销栓等机构固定锁牢。也可设计并配备手摇式齿轮传动机构来调整角度, 但成本会相应增加。

图5所示的结构, 在倾角调节时, 由于转动梁转轴4位于转动梁9的中心 (或中心附近) 位置, 因此在倾角调节时重力的阻力矩较小, 所需的倾角调节的转动力矩较小, 倾角调节变得方便容易。通过角度定位盘13预先设定的定位孔, 调节转动梁9到所需的角度位置时, 定位锁死。角度定位盘13同时起着连接与支撑作用。虽然该种结构更易于角度调节, 但该结构在角度调节过程中基本处于单轴受力状态, 对转动梁转轴4、转动梁9、跟踪系统转动轴3悬臂端的结构及强度等要求较高, 结构复杂性及成本有所提高。该种结构比较适合于规模化应用的光伏系统中, 有利于降低成本和结构件标准化, 有利于倾角可调的斜单轴跟踪系统的大规模推广应用。

相对于图1、图2所示的斜单轴跟踪系统, 图4、图5所示的斜单轴跟踪系统中光伏组件的自身轴线和转动轴线有一定倾角 (按四个季度最佳倾角调整) , 从而导致对太阳方位角的跟踪范围减少, 其减少量等于该倾角值。

下面从该种结构对太阳方位角跟踪和辐照度的影响进行研究, 讨论其适用性。

在实际光伏系统应用中, 一般以上午9:00至下午3:00作为光伏发电的主要工作时间。以中间位置为参照, 斜单轴跟踪系统转动轴的转动范围一般为±60°, 一方面考虑到该跟踪范围已覆盖了光伏系统的主要工作时间段, 已满足需求, 另一方面从跟踪结构的结构特性、中心高、抗风性等因素考虑, 综合取值。

在对太阳高度角的跟踪方面, 倾角可调的斜单轴跟踪系统主要按春夏秋冬四季的最佳倾角对光伏组件的倾角进行调节。在倾角调节方面, 对四季的划分有以下几种方法:

(1) 符合我国传统的四季划分方法

该方法分别以立春、立夏、立秋、立冬作为四季的开始, 以春分、夏至、秋分、冬至作为四季的中点。

按此季节划分, 将1年12个月划分为4个时段进行斜单轴跟踪系统倾角调节。

(2) 符合西方天文学的四季划分方法

该方法更强调四季的气候意义 (主要以温度来区分) , 分别以春分、夏至、秋分、冬至作为四季的开始。该种划分方法比我国传统的四季划分方法的四季分别迟了一个半月。在北半球, 3~5月为春季, 6~8月为夏季, 9~11月为秋季, 12~2月为冬季, 并以此对斜单轴跟踪系统的倾角进行4次调节。

(3) 分别以春分、夏至、秋分、冬至为中点, 前后共三个月作为时间跨度, 12个月共被划分为四个时段, 分别对斜单轴跟踪系统的倾角进行调节。

以上几种对倾角的调节方法都不合理, 原因是没有将天体运动规律、斜单轴倾角调节方式、最佳倾角 (对应并网光伏系统最大发电量) 等因素有机优化结合起来。

由于太阳在地球上的直射点每年在南北回归线之间来回移动, 形成了一年四季。北半球的冬至日, 太阳直射点在南纬23°26′。夏至日, 太阳直射点在北纬23°26′。春分与秋分日, 太阳直射点在赤道。由于斜单轴跟踪系统的倾角调节的时间区间划分应遵循对应的太阳高度角变化量基本相等的原则, 而在一年四季的天体运动规律中, 随着太阳能高度角的变化, 在冬至日和夏至日取得极值点, 在春分和秋分日取得拐点, 因此合理的时间区间划分方式应为图6所示:

倾角调节的时间区间共按四个时段划分:

(1) 春季时段:2.20-4.20前后, 以3.21为中点, 共约2个月; (2) 夏季时段:4.21-8.23前后, 以6.21为中点, 共约4个月; (3) 秋季时段:8.24-10.22前后, 以9.23为中点, 共约2个月; (4) 冬季时段:10.23-2.19前后, 以12.22为中点, 共约4个月。

在太阳高度角的变化量方面, 上述夏季或冬季时段4个月的变化量和春季或秋季时段2个月的变化量基本等效。另外, 为便于统计和实际应用的习惯, 将以上各时段向后稍微延迟8至10天, 取月初和月末作为时段界限, 即:

(1) 春季时段:3月、4月, 共2个月; (2) 夏季时段:5月、6月、7月、8月, 共4个月; (3) 秋季时段:9月、10月, 共2个月; (4) 冬季时段:11月、12月、1月、2月, 共4个月。

下面计算各个时段的最佳倾角。在并网光伏系统中, 以能获得最大发电量的光伏组件的最小倾角作为最佳倾角。参照RETSCREEN软件和PVSYST软件, 并依据美国NASA全球气候数据库, 以上海地区为例, 经计算, 结果参考表1:

上海地区位于北纬31.1°、东经121.3°, 平均海拔7m。冬季时段的最佳倾角最大。上海地区的各时间的太阳高度角和方位角可按以下公式计算或用软件模拟计算。

公式1-1为太阳高度角α的计算公式, 公式1-2或1-3为太阳方位角β的计算公式。式中, δ为太阳赤纬角, φ为当地纬度, ω为太阳时角。ω在正午时为0, 每小时增15°, 上午为负, 下午为正。

现以冬季时段的中点及始末点为例, 列出上海地区太阳高度角和方位角, 见表2。其它几个时段类似。

由表1至表3的数据可知, 在上海地区, 在斜单轴跟踪系统工作时间中, 采用图4、图5所示结构的光伏跟踪系统在上午9:00和下午3:00时候, 太阳光线与光伏组件接近垂直入射, 所受太阳辐照度增强, 并没有因为跟踪范围的减少而影响对太阳方位角跟踪及辐照量吸收, 相反比图1、图2所示结构获得的辐照量更多。同理分析可得, 在春、夏、秋季时段, 上述结果类似。

上述数据是以上海地区为例进行分析研究的, 经分析对于我国其它地区同样适用。

2.2.4 优点分析

图4、图5所示的倾角可调的斜单轴跟踪系统的简易结构有以下优点:

(1) 结构简单, 易于实现, 后期运行维护方便;

(2) 成本低, 有利于模块化、规模化生产与应用;

(3) 结构性能稳定可靠;

(4) 和固定倾角的斜单轴跟踪系统相比, 其增加很少的成本, 却基本达到双轴跟踪系统的效率和发电量, 投资收益率高。

(5) 无论从地域上, 还是从应用领域上, 还是从安装场所等方面考虑, 其适用范围非常广泛。

(6) 本结构可根据用户需要, 稍作变通更改, 同样适用于一年12月按月进行倾角调节的场合。光伏系统发电量会得到进一步提高。

3 结论

经过以上的分析和研究, 该种倾角可调的斜单轴跟踪系统的简易结构解决了现有结构复杂、功能实现困难、成本高、运行维护麻烦、无法实际应用及产业化的难题。该种简易结构能基本满足光伏系统的产业化规模应用, 能有效提高光伏系统效率和发电量, 成本低效益高, 运行维护简单, 适用范围广, 方便可靠, 值得大规模推广与应用。

参考文献

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