太阳能装置（共11篇）
太阳能装置 篇1
随着人口的增长、生产规模的扩大、社会经济发展水平的提高,能源需求量日益扩大。目前人类所使用的能源绝大部分是矿物燃料, 这类非可再生能源随着大规模的开发会逐渐枯竭, 而且矿物能源使用引起的环境污染和温室效应日趋严重, 将会影响社会经济的可持续发展, 威胁人类的生存。而太阳能具有清洁无污染、可再生、总量巨大、分布普遍等优势, 是一种利用前景远大的新兴能源。
目前太阳能的利用方式主要包括光热利用、光电利用、光化学利用和光生物利用等。一般来说,到达地面的太阳辐射主要受太阳高度角、地理纬度、大气透明度、日照时数及海拔高度等因素的影响。其中,太阳高度角对太阳能利用效率具有重要影响。当太阳光线和太阳能利用装置垂直时,太阳能的利用效率最高。太阳直射点以回归年为周期在南北回归线之间往返运动,地球以太阳日为周期昼夜交替,引起太阳高度角的季节变化和日变化。同一地点一年中不同季节、一天中不同时刻太阳的高度角不同,同一时间不同地点太阳的高度角不同,太阳高度角和太阳能利用装置的倾角因时因地而异。因而合理选择太阳能利用装置的倾角是提高太阳能利用效率的重要途径之一。
理论上不断调整太阳能利用装置的倾角, 保证太阳光线和太阳能利用装置始终垂直, 可使太阳能利用效率最大化。但受资金、技术等因素的限制,目前这种“追日型”太阳能利用装置还未普及。其实在实际应用中, 太阳能利用装置的倾角是固定不变的。这种情况下,如何因地制宜、合理地设定太阳能利用装置的倾角极为重要。对北半球而言,一般依据冬至日当地正午太阳高度角和太阳能利用装置倾角互余的原则, 合理地安装太阳能利用装置, 可最大限度地提高太阳能利用效率。下面以北京(40°N,116°E)为例进行说明:
如图1所示, 利用正午太阳高度的计算公式:H=90°-│α-β│(公式中α代表当地地理纬度,β代表太阳直射点地理纬度, 当地夏半年β取正值,冬半年β取负值)
可计算出北京冬至日的正午太阳高度角:
H=90°-│α-β│
=90°-│40°-(-23°26′)│
=90°-63°26′
=26°34′
北京太阳能利用装置的倾角为:
B=90°-H
=90°-26°34′
=63°26′
在北京, 若以63°26′的倾角安装太阳能利用装置, 一年中冬至日正午时刻太阳光线和太阳能利用装置垂直, 而其他日期一天中会出现两次太阳光线和太阳能利用装置垂直的时刻, 从而达到较好的利用效果。
如图2所示,一天中日出时刻太阳高度角为0°,正午时刻增大到最大值,日落时刻又减小为0°。由于冬至日北京正午太阳高度角达一年中的最小值26°34′,其他日期正午太阳高度角大于26°34′。因此,除冬至日外的任何一天,正午前太阳高度角增大过程中有一时刻(t1)太阳高度角为26°34′,正午后太阳高度角减小过程中有一时刻(t2)太阳高度角也为26°34′,这两个时刻太阳光线和太阳能利用装置垂直,太阳能利用效率最好。
关键词：地理教学,太阳高度角,倾角,冬至日,太阳能,利用率
太阳能装置 篇2
新型太阳能接收与传输装置主要由导光板、外壳、导光管、透镜等组成, 多条表面有反光性质的完整圆弧1/4的导光板与外壳围成多条弯曲且独立的导光通道，所有导光通道与导光管一侧连通，导光管的中心线与导光板在光线入口处的垂直进入方向的剖面线的终端曲线的切线夹角为零。
2.2 工作原理
在导光板间距小于1/4其只身高度时，在弯曲的道光通道的特殊作用下，光线无论以任何方向进入导光通道，光线都不会反射回来，只能沿导光通道前进，由于导光板出口的切线与中心管中心线平行的结构，光线在此都会被整合到与导光管中心线前行的前进方向，因此不会从自己的导光通道反射回去，也不会从其它导光通道反射回去，光线只能沿导光管前行，只要终端没有反射的光波，进入到导光管的大部分光波可全部输送到终端。
2.2 工作原理
在导光板间距小于1/4其只身高度时，在弯曲的道光通道的特殊作用下，光线无论以任何方向进入导光通道，光线都不会反射回来，只能沿导光通道前进，由于导光板出口的切线与中心管中心线平行的结构，光线在此都会被整合到与导光管中心线前行的前进方向，因此不会从自己的导光通道反射回去，也不会从其它导光通道反射回去，光线只能沿导光管前行，只要终端没有反射的光波，进入到导光管的大部分光波可全部输送到终端。
3 技术特点
该太阳能接收与传输装置与其它太阳能利用装置的性能相比，具有的技术特点是：
3.1可将大面积低密度光能低成本的收集、集输到一起形成高密度光能，无数个接收装置经过导光管的连接到一起就相当于一个巨大的聚光器。
3.2该接收装置可直接对阳光进行采集，也可利用聚光镜或者目前广泛应用的塔式、碟式、槽式等太阳能采集系统将光能局部集中，再利用该装置远距离传输后全部集中加以利用。
3.3该接收装置也可以作为分支导光管进入主导光管的连接装置，可以实现分管进入主管后光线没有反射光。
4 结论及认识
4.1该太阳能接收与传输装置在太阳能密度较低的情况下不将光能转化为其它能量，而是将光能用导光管进行传输后再集中转化，这样可将昂贵的转化设备留在终端，而不在初始端使用，可以大幅度降低太阳能开发和利用成本，具有较好的应用推广前景。
太阳能装置 篇3
太阳能空调与高效供热装置及其应用项目经多年攻关，突破了太阳能空调和供热装置技术瓶颈，并在2010年度国家科学技术奖励大会上获得国家技术发明二等奖。
本项目的发明创新点如下：
1.突破了太阳能空调技术的瓶颈，发明了太阳能硅胶－水吸附制冷机和太阳能两级转轮式除湿空调，解决了利用集热器产生60℃～90℃热能实现稳定制冷空调过程的难题。针对太阳能热水系统夏季运行，独创了太阳能硅胶－水吸附式冷水机组，采用分离热管和毛细升膜蒸发原理以及回热回质循环方法，利用普通集热器所产生的60℃以上热水即可驱动空调制冷，实现了太阳能空调在夏季可以8小时以上连续供冷，技术指标居国际领先水平。针对太阳能空气集热器，发明了太阳能两级转轮式除湿空调，采用基于硅胶和卤素盐耦合吸湿机理的复合吸附剂，利用等温除湿和中间冷却原理提高除湿循环的热力学完善度，实现利用60℃～90℃热空气驱动空调除湿，热力COP达到1.0以上，能够把40％以上太阳辐射转变为空调能力输出。
2.发明了太阳能/空气源热泵装置。针对常规太阳能供热系统受太阳辐射低密度、间断性等因素影响大的难题，利用太阳能集热和热泵循环，有效吸收太阳辐射热以及环境中的热量，实现供热系统高效稳定工作。该技术已实现产业化，产品性能指标优于国内外同类产品，推动了行业的形成与发展。
3.集成创新了太阳能采暖、空调、自然通风与热水供应复合能量利用技术并获得规模应用。提出了太阳能结合建筑全年综合高效利用的新方法。夏季利用集热器产生60℃以上热水驱动太阳能空调，冬季利用太阳能采暖供热，过渡季节利用集热循环产生热压效应强化室内自然通风，同时太阳能产生的热水可满足建筑全年生活热水供应，国际上首次实现了太阳能全年高效利用，使建筑太阳能系统保证率达到60％以上。
本项目获发明专利授权17项，实用新型专利授权17项；制定2项太阳能标准；出版了专著《太阳能制冷》，发表论文63篇，SCI收录20篇。建筑结合太阳能供热、太阳能/空气源热泵技术形成产业，太阳能空调在江苏双良集团批量生产，太阳能除湿空调获得工程应用，项目成果入选Wisions国际可再生能源推广应用范例。发明成果在生态建筑、低温储粮、世博场馆以及皇明太阳能集团等多种场合应用，取得重大社会和经济效益。
太阳能板自动对准装置的设计 篇4
随着社会经济的发展, 能源和资源的消耗速度越来越快, 节约能源和开发利用可再生能源已经成为人类可持续发展的必要条件.太阳能作为一种清洁无污染的能源, 发展前景非常广阔, 太阳能发电技术已引起世界各国高度关注.然而, 其间歇性、光照方向和强度随时间变化的问题对太阳能的收集和利用提出了更高的要求.目前, 大多数太阳能电池板阵列采用位置固定的安装方式, 此方法不能充分利用太阳能资源, 整体发电效率较低.据实验数据表明, 在相同条件下, 采用自动跟踪式太阳能发电设备要比固定方式的发电量提高35%以上. 因此在太阳能资源的利用中, 自动跟踪技术是十分重要的研究方向[1].
提出了一种新型的太阳光自动跟踪系统设计方案.太阳能板固定在自主设计的二维转台上, 系统能自动根据太阳光方向来调整太阳能板朝向, 以使其光敏面始终与太阳光保持垂直, 进而有效提高系统工作效率.该系统结构简单、成本低, 在跟踪过程中能实时自动更正坐标位置, 不必人工干预, 有效地提高了太阳能的利用率, 有较好的推广应用价值.
1 系统的结构
二维自动转台的机械结构如图1所示.系统主要由光电传感器、步进电机、传动机械、控制系统和电源系统组成.基于步进电机的精密传动机构, 具有很好的自锁功能, 能够根据系统的控制指令动作和维持状态, 有效地减少外界的干扰对支架位置的影响[2,3,4].
1—太阳能板;2—探测器模块;3—俯仰角支架;4—方位角转轴;5—滚珠丝杆;6—步进电机A;7—齿轮组;8—步进电机B
2 系统的工作原理
2.1 系统工作过程
系统的工作原理如图2所示.太阳光透过光孔, 由透镜汇聚到四象限探测器的感光表面, 受光面的4个电极就产生电压信号, 这些电信号依次经过前置放大电路、滤波电路以及A/D转换电路后, 转换成数字量, 并由控制器从A/D转换器的寄存器中读取4个通道的采样数据.如果入射光斑的位置在受光面的中心, 则受光面的各个电极的输出信号相等, 此时入射光线与固定平面垂直.如果入射光斑的位置不在受光面的中心, 受光面的输出信号不相等, 通过下列步骤调整旋转平面: (1) 通过数据运算可以确定入射光斑中心与受光面中心的相对偏移量, 从而计算出入射光线与固定平面法线的夹角; (2) 计算出控制方位角转动的步进电机和控制俯仰角旋转的步进电机的旋转角度, 以使入射光线与固定平面法线之间的夹角为0°; (3) 计算出步进电机的旋转步数和旋转方向, 通过接口电路输出控制指令, 驱动步进电机动作.为了减小功耗, 在步进电机停止转动期间, 通过控制器关闭步进电机的电源.
2.2 传感器工作原理
采用EOS S-010-QD硅四象限探测器来检测太阳光的入射光线与固定平面法线的夹角, 该探测器是在一块芯片上封装了4个单独的感光面 (共阴极) , 敏感面直径为10 mm, 工作波长为0.3～1.1 μm, 可以提供4路模拟电压输出, 因此系统中选择探测器的输出电压作为有效测量信号.安装时, 遮光罩的顶部平面以及受光面均要与转台的固定平板面平行, 如图3所示[5].
1—太阳能板平面;2— 避光罩;3—四象限探测器;4—入射光斑位置;5—透光孔及物镜;6—平面的法线;7—入射光线
四象限探测器是一种基于四象限分解法设计的位敏器件, 目标光信号经光学系统后在四象限探测器上成像, 当目标成像不在光轴上时, 4个象限上输出的信号幅度不相同.根据各象限上能量分布的比例可计算出目标的亮度中心位置, 以确定目标的空间位置, 即检测目标具体方位可以归结为像斑相对于探测器中心的偏移量大小和方向的计算.文中使用四象限加减求解法来提取目标偏移量, 基本公式如下
式中, Ex和EY分别为x、y轴上的偏移量;SA、SB、SC、SD分别为像斑在4个象限上的分布面积.
设光斑的中心坐标为 (a, b) , 如图3所示, 则入射光线在zox和zoy平面中的投影线与平板法线的夹角φx及φy分别为
3 系统的电路设计
系统硬件电路采用高性能集成电路芯片为核心来设计, 如图4所示.系统采用实时工作方式.在工作过程中, 四象限光电探测器的4路输出信号分别经过各通道的放大电路、滤波电路之后, 由16位A/D转换电路对4路模拟信号同时进行采样, 然后由控制单元处理器依次从A/D转换器的寄存器中读取转换结果, 根据程序逻辑和处理算法, 对前端光斑的接收位置进行判断, 以输出相应的控制信号, 驱动执行机构的步进电机动作, 对太阳能板的接收角度进行实时调整.
在整个工作过程中, 可以实现完全的自动化控制.但考虑到人员的可控性, 系统设置了几个人工操作键, 并可以进行自动/手动模式切换, 满足某些情况下人工操作的需要.系统的手动模式切换端、方位角加减控制端、俯仰角加减控制量和系统复位端均为开关量.在自动工作模式中, 系统对4路输入信号实时采集, 自动调整接收位置, 以保证入射光垂直作用于太阳能板, 整个工作过程自动实现, 实时循环执行[6].
4 系统控制程序的设计
由于在一定时间内, 太阳光线偏离平面法线的角度很小, 同时考虑减少系统损耗, 经实验, 系统的信号采集时间间隔确定为15 min, 时间间隔是通过调用延时子程序来实现的, 可以随时根据需要进行调整.为了能够在初始上电时快速地捕获太阳位置, 系统设计了预扫描子程序以实现快速粗跟踪, 可以对整个范围进行快速扫描, 以确定太阳的初始位置, 然后才进入到精确跟踪的控制程序.
系统采用MSP430F133单片机作为控制核心, 该单片机采用精简指令集, 只有27条核心指令, 指令周期可达125 ns, 开发环境采用的是IAR公司提供的Embedded Workbench 集成环境, 使用C语言编程.程序流程如图5所示[7].
5 结 束 语
系统采用四象限探测器作为前端探测单元, MSP430单片机作为核心控制单元, 利用光电技术、电子技术、自动控制技术以及精密的步进系统实现了太阳能板自动跟踪瞄准系统的设计.文中给出了完整的系统设计方案, 采用高性能的专用集成电路, 优化了程序流程, 大大提高了系统的性能.在实际工作中, 可以根据需要, 修改部分电路参数, 使系统适用于新的工作环境, 也可以通过修改程序, 方便地调整系统的控制流程.利用VB程序语言和串口通讯, 可以实现上位机的控制及监视, 利用网络通信技术, 可以实现远程控制.在此系统基础上, 可以方便地增加自动跟踪系统的功能, 以应用在更复杂的系统中.同时, 可以方便地将系统的设计思路移植到类似的控制系统中.
该系统已调试成功, 并进行了应用试验.在试验中, 太阳移动时, 控制系统可以有效地驱动二维转台动作, 自动对准目标.系统的直线跟踪精度达到0.25 μm, 视场的跟踪角精度为0.25 mrad, 工作效果达到预期的开发目的.该系统对于太阳能的高效利用, 有重要的应用价值.
参考文献
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太阳能装置 篇5
对新疆各县、市平交口构形的调查显示，异型平交口普遍存在于各地区，主要为T形平交口的变异：Y形平交口和三路交叉异形平交口，以及十字形平交口的变异：X形平交口和四路交叉异形平交口。当前，随着交通流的徒升，各地区正在开展交通管理改善，移动式太阳能交通信号的应用也越来越广，但移动式太阳能交通信号灯灯头为固定的一体化结构，不具备调整灯头方向的功能；而道路平面交叉口交通流信号灯控制，要求交通信号灯各方向灯头主面对正于所控制的进口，以避免机动车驾驶人仅看到信号灯投影面而产生模糊视觉，造成误判，易引发闯红灯事件，甚或发生交通事故。实践表明，移动式太阳能交通信号灯应用于异形平交口时，确存在一定问题，需要对其进行技术调整。本文设计了一种移动式太阳能交通信号灯灯头方向可调装置，该装置可因平面交叉口构形变化而调整各灯头方向。
2、视觉误差分析
這里，以移动式太阳能交通信号灯应用于常见的Y形平交口为例，对机动车驾驶人的视觉误差进行分析，如图1所示。其中，a、b、c面分别表示移动式太阳能交通信号灯灯头主面，a和c分别为A进口和C进口机动车驾驶人能够看到信号灯的投影面。
国标《道路交通信号灯设置与安装规范》7.6条规定：车道信号灯安装位置应正对所控的车道；7.1.1条规定：对应于路口某进口，可根据需要安装一个或多个信号灯组；7.1.2条规定：信号灯可安装在出口左侧、出口上方、出口右侧、进口左侧、进口上方和进口右侧，若只安装一个信号灯组，应安装在出口处；7.1.3至少有一个信号灯组的安装位置能确保，在该信号灯组所指示的车道上的驾驶人，位于规定的范围内时均能清晰观察到信号灯；7.2.2条规定：无图案宽角度信号灯基准轴左右各10°，无图案窄角度信号灯基准轴左右各5°，图案指示信号灯基准轴左右各10°。可见，各类异形平交口配置移动式太阳能交通信号灯，至少有一个灯面仅能对机动车驾驶人显示狭小的投影面，难以满足视觉需要和交通信号灯使用的技术要求，需要改进。
3、可调装置设计
规划本装置在移动式太阳能交通信号灯原有结构条件下进行调整性设计，满足各灯头可调并对正各受控进口的目的。图2和图3分别为本装置主要结构和实物。将各灯头安装于上固定盘和下固定盘间，上、下固定盘分别开有三个中心孔，灯头与上、下固定盘之间用螺栓固定连接。以上、下固定盘对应中心孔圆心所在直线为轴旋转灯头，使灯头达到最佳方向。
4、结语
本文涉及移动式太阳能交通信号灯灯头方向可调装置经实际应用，不仅能解决机动车驾驶人在Y形平交口的视觉误差问题，也能解决在三路交叉异形平交口，以及X形平交口、四路交叉异形平交口的视觉误差问题。本研究受新疆科技型中小企业技术创新基金项目（2014531070）资助，并获国家专利（ZL 2014 2 0765962.1），在各地区对异形平交口使用移动式太阳能交通信号灯进行交通流控制具有较强的现实意义。
太阳能最大功率跟踪装置的设计 篇6
21世纪,在环境污染与资源匮乏的双重压力下,人们不断地寻找一种清洁的可再生能源来取代传统的化石燃料,而太阳能由于其总储存量大、容易获取、使用过程无污染等特点引起了各国政府的重视。虽然地球上接收太阳辐射的总能量大,但是分布面积广泛,能流密度较低。因此,设计一种简单可靠的中小型光伏发电系统,既能够为城市无电网地区的照明和交通信号提供所需电力,也可以满足家庭和企业对直流电源的需求,具有广阔的应用前景。
2 太阳能电池方阵的倾斜角选择与方位角跟踪
太阳能光伏发电成本60%以上花费在太阳能电池组件的制造上[1],为了最有效的利用太阳能电池组件,使其在一年中接收并转换尽可能多的能量,在设计和安装时就必须考虑太阳能电池的最佳倾斜角与方位角。
对于太阳能发电,我们总是希望太阳光始终与光伏阵列垂直,这样便能得到最多的太阳辐射能量。为此,人们开始研究太阳光的跟踪装置,目前的跟踪装置可分为单轴跟踪(只对太阳方位角γs进行跟踪)和双轴跟踪(对太阳高度角α和太阳方位角γs同时跟踪)。实验表明,单轴跟踪能提高系统发电量的20%～30%,双轴跟踪能提高系统发电量的30%～40%。就理论上说,双轴跟踪必然比单轴跟踪能获得更多的太阳辐射能。但是,由于双轴跟踪装置比较复杂,初始安装成本和维护费用也高,所获得的额外太阳能所产生的效益不足以抵消安装维护成本。因此,在中小型的光伏发电系统中,单轴跟踪装置更具有现实意义。
若只对太阳光的方位角进行跟踪,光伏阵列有一个固定的倾斜角β。对于倾斜角的选择除了令太阳光入射角φ尽可能小,以获得最多的太阳能之外,还需要考虑诸多因素[2]。例如所在地的纬度,日照时间,蓄电池容量,积雪滑落角度等问题。
以广州为例,广州城区纬度为23°8′,夏季有阳光直射,太阳高度角最大可达90°,冬季太阳高度角最小为46°34′;广州地区没有积雪(如果考虑积雪滑落,那么倾斜角应在50°～60°),夏天最长日照时间为13.45 h,冬天最短日照时间为10.54 h。
从表1可看出广州城区年平均太阳辐射值约为4 500 MJ/m2,其中夏季的太阳日辐射量可达17.7 MJ/m2,冬季只有为7.7 MJ/m2。考虑到冬季日辐射量少,如果蓄电池长期处于亏电状态,则蓄电池的极板会硫酸盐化,降低使用寿命;而夏季辐射量大,蓄电池长期处于充满状态又会造成能量浪费。综合考虑,太阳能光伏阵列的倾斜角应该设计在33°～39°为宜。太阳能斜单轴跟踪装置[4]如图2所示。
本文设计的太阳能光伏阵列是由两块成150°夹角的电池板组成,与地面成35°倾斜角并固定在转盘上。转盘下方的控制箱中带有电压电流传感器、步进电机和CPU。工作方式如下:按下手动开关,可以根据旋转按钮来手动控制步进电机,调整光伏阵列的方位角。如果按下自动开关,跟踪装置自动工作:早上跟踪装置处于复位状态(-90°)当太阳方位角开始变化,两块电池板的功率必然发生改变,其中偏向方位角变化方向的电池板受阳光直射,功率较大,此时电压电流传感器开始工作,每隔20分钟测量两块太阳能电池板的功率,并控制步进电机转向功率较小的太阳能电池板方向旋转一定角度,以实现对太阳方位角的跟踪。当达到最右边的限位开关(+90°)时,跟踪装置停止工作,并在两小时后复位。
2 光伏系统工作模式优化
2.1 最大功率跟踪控制(MPPT)原理
为了获得尽可能多的能量,我们总是希望太阳能电池方阵总是工作在最大功率点(Pm)附近。但是太能电池方阵的最大功率点会随着太阳辐射强度和环境温度的变化而变化,如果不采取任何控制措施,光伏发电系统也就不可能发挥出最大的功率输出[5]。
图3表明,不同的光照强度下太阳能电池组件的最大功率点几乎保持在同一电压水平上。要保持太阳能电池组件的最大输出功率,可以简化成控制太阳能电池的输出电压。本文采用扰动观察法(P&O)[6]和BUCK降压斩波电路来实现系统输出电压的控制。原理如下:
先对光伏阵列的输出电压和电流进行连续的采样,并将每次采样的一组电压电流数据换算成功率值,然后减去上一次采样得到的功率值,即为功率差分值。当功率达到最大值时必然满足式(1),同时还可以得到式(2)
UdI=-IdU (2)
令 ΔI=UdI,ΔU=-IdU 。当ΔI=ΔU时,可近似认为太阳能电池达到最大功率点。因此,对系统输出电压和电流进行连续采样,取一段时间内的平均值,并且减掉上一次平均得到的电流和电压值,可以得到比较精确的电压和电流差分值,分别记作dI(k)和dU(k)
根据式(3)、式(4)分别计算ΔU(k)和ΔI(k)。通过比较ΔU(k)和ΔI(k)的大小来确定光伏阵列的工作区域。如果ΔU(k)=ΔI(k),则认为阵列输出功率已经在最大功率点上,只要保持现有状态即可;如果ΔU(k)>ΔI(k),则说明阵列输出功率增大的方向为电压增加而电流减小的方向,必须提高电压,降低系统有功输出才能使系统工作在最大功率点上;反之,若ΔU(k)<ΔI(k),则要降低电压增加系统有功输出功率。
2.2 BUCK降压斩波电路与MPPT控制算法
图4的虚框部分为BUCK降压斩波电路,电路工作原理如下:
用脉冲信号控制开关晶体管Q1的接通与断开,震荡周期T=Ton+Toff,Q1接通时有:
当Q1接通时,电感储存能量;当Q1断开时,电感将能量释放到负载
如果Ton和Toff时间足够短,Uab和Ucd保持恒定,则有
在稳态条件下iL(0)=iL(Ton+Toff),带入式(8)和(9)可得
因此,只要根据蓄电池的电压变化适当调整脉冲的宽度Ton,就可以调整太阳能电池组件的输出电压,使其一直保持在最大功率点附近。具体MPPT控制算法[7]如下方框图所示:
4 实验结果与数据分析
测试时间为2011年5月11日,地点位于华南理工大学29号楼楼顶。本次实验分为两组,每组均采用两块FS-S003D太阳能电池板并联为负载供电。其中一组直接连接负载,倾斜角为35°,朝正南固定安装;另外一组倾斜角同样为35°,采用MPPT并带有斜单轴跟踪装置。为了尽量排除天气因素对光伏系统输出的影响,实验中每隔30分钟,选择没有云层遮挡的时间记录下实验数据。
如图6所示,由于太阳方位角的改变,固定安装的太阳能电池板的输出电压和输出电流不断发生变化,导致其输出功率偏离最大功率点(Pm),不能充分利用太阳辐射能。而采用MPPT并带有斜单轴跟踪装置的光伏系统,虽然在最大功率点跟踪方面存在一定的滞后,但是静态误差总能控制在8%以内,较大幅度地提高了系统的输出功率。特别是在9∶00～11∶00与16∶00～18∶00的两个时段,能够将输出功率提高85%以上。如果忽略天气因素的影响,采用MPPT并带有斜单轴跟踪装置的光伏系统与固定安装并直接连接负载的光伏发电系统相比,平均每天能多转换65W·h左右的电能。而在控制系统方面,BLSD2410DC-2Q-S型步进电机功率为120 W,AT89LV51微功耗CPU的功率不足0.02 W,电流与电压传感器功率都在0.6 W左右。一天中步进电机正常工作时间约为2分钟,其余时间处于休眠状态。经过测试,整个控制系统一天能耗在15 W·h以内,远小于增加控制系统所额外获得的电能。
5 结论
本文设计的光伏发电系统不但能够追踪太阳方位角,并且能够自动调节太阳能电池的工作点,使其获得最大输出功率。整个系统具有光电转换率高、适用范围广、工作稳定可靠和免维护等优点,具有较为广泛的应用前景。
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导轨式太阳能表面除尘装置的设计 篇7
太阳能是被认为最有前景的系能源之一, 但是太阳能是一种低密度、间歇性、空间分布不断变化的能源, 这对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。然而, 目前太阳能的利用还不够理想, 究其主要原因是太阳能的利用率低导致成本过高。本文设计出一种结构简单、移植性好、使用方便、成本低廉强的太阳能表面自动清扫装置, 可以实现对电池板表面所蒙灰尘等物的清扫, 满足太阳能电池板表面的维护需求。
2 机械结构总体设计
太阳能电池板自动除尘装置主要用于维护露天使用的太阳能电池板, 根据太阳能电池板除尘作业的要求, 本文装置分为四部分:太阳能电池板装卡支架、装置动力源机构、装置传动机构、装置清扫机构。
2.1 太阳能电池板装卡支架
太阳能电池板装卡支架的作用一方面是用来将电池板固定, 另一方面是用来装卡自动除尘装置, 防止其工作过程中脱落, 以便更好地开展工作。如图1, 此图是太阳能电池板装卡支架的截面图, 1处用于装卡自动除尘装置轮子, 2处则用于装卡太阳能电池板。无论装卡支架是向何方倾斜, 1处的挡板均可挡住自动除尘装置的轮子, 防止其脱落。
2.2 装置动力源机构
为了更好地节约成本, 此自动除尘装置的动力源采用太阳能, 即利用太阳能与蓄电池共同作用为其提供动力。
蓄电池相当于一辆传统汽车里的油箱, 一辆太阳能汽车使用使用蓄电池储存在以后的某一时间将被使用的能量。因此, 利用太阳能汽车的原理来作为此装置动力源, 将太阳能电池板安装在自动除尘装置的顶部, 电池板通过采集阳光, 并产生电流给蓄电池充电, 将太阳能转化为电能进行储存。装置工作时, 蓄电池放电, 再将电能转化为机械能, 从而驱动装置工作。
2.3 装置传动机构
根据除尘作业要求, 此自动除尘装置的传动机构主要是为了给车轮和滚刷传递动力, 使得滚刷转动从而达到清洁灰尘的目的。另外, 在滚刷转动的同时, 由传动机构传递的动力使得车轮运动, 从而使滚刷清扫的同时, 整个装置也能向前运动, 最后使得个太阳能电池板表面被清扫完全。
组成此传动机构的部件主要是齿轮和链轮。1号电动机通过齿轮啮合将动力传递给装置的后轮, 后轮通过转动来推动整个装置向前运动。2号电动机则通过链轮转动带动链条, 从而将动力传递给滚刷。
2.4 装置清扫机构
关于此装置的除尘功能, 主要分为两个部分:滚刷的一次清扫和排刷的二次清扫。滚刷和排刷均安装在此装置上, 随着装置的运动而移动。
在这个装置中, 滚刷和排刷的刷毛可以根据实际情况和除尘效果进行更换, 刷毛也可由一种或多种材料组成, 比如:塑料刷毛、海绵、棉布等等。当电池板表面灰尘积累一定程度, 开启电源装置开关, 驱动电机工作。1号电机运转, 从而通过齿轮啮合和轮轴来驱动装置后轮运转, 从而推动整个机构向前行进。在行进过程中, 2号电机通过链轮和链条来带动滚刷的旋转运动, 破坏太阳能电池板表面灰尘的组织结构, 从而将灰尘从电池板表面清扫出去。其中, 滚刷毛与光伏组件表面保持恰当距离, 使得滚刷毛呈现合适的弯曲变形。从受力分析看, 只有当旋转运动的滚刷毛与光伏组件表面接触所产生的摩擦力大于灰尘吸附光伏组件表面的吸附力时, 才可将灰尘出去。滚刷受力分析如图2所示。设装置所受重力为G, 光伏组件对其的支持力为N, 则N=G*cosα, 滚刷收到光伏组件表面的摩擦力为f=μ*N。
另外, 排刷装配在装置机架两后轮之间位置, 排刷在滚刷清扫后, 将未清扫干净的灰尘进行二次清扫。滚刷与排刷的配合, 从而实现太阳能电池板表面的灰尘清扫功能。
3 结束语
在荒漠化或者偏僻地区, 太阳能电池板表面极易附着灰尘和沙土。考虑到电池板所处环境和对除尘装置的要求, 设计了一种在此等环境下工作且无需用水或清洁剂的太阳能电池板自动除尘装置。此装置的设计主要从经济型、实用性等角度出发, 所用设备简单且能达到除尘目的, 具有结构简单、移植性好、使用方便、成本低廉且稳定性强等优点, 节约了相应的人力物力。
参考文献
[1]高凌云.太阳能电池板除尘新技术[J].现代物理知识, 2010 (05) :52.
太阳能装置 篇8
随着全球对可再生能源利用的高度重视, 太阳能热水系统得到普及, 太阳能系统的应用方式多种多样, 不过其原理都是利用太阳能集热器收集太阳光能, 然后转换为所需要的能量, 从而达到方便使用的目的。但是, 由于太阳能受季节、气候等环境因素影响很大, 导致某些时间段内太阳能系统所提供的能量不够, 而有些时候系统提供的能量又会过剩。现实的太阳能系统一般选用冬季工况为设计条件 (根据用能差异会有不同情况) , 保证冬季对能量的需求, 而这样的设计可能会使其他季节的太阳能的供能量大于需求量, 导致系统热量过剩;还有些太阳能热水系统只在夏季、冬季使用, 那么, 春、秋季节必然有大量的能量过剩, 如太阳能制冷、采暖工程由于热能的需求量很大, 所以系统安装的集热器较多, 可是制冷、采暖工程只在夏季、冬季使用, 春、秋季节即使洗浴消耗一部分热量, 仍还会有大量的过剩热量。过剩的热量若得不到及时处理将会给太阳能系统带来严重危害, 而现在的蓄能技术还不成熟。这种供需矛盾在太阳能空调系统的设计中表现特别突出。本文介绍了一种新型产品——太阳能散热、新风装置, 它作为太阳能热水系统的散热装置使用, 在解决系统过热问题的同时, 还能为建筑换新风, 改善生活、工作环境的空气品质。
一、太阳能散热、新风装置的工作原理
太阳能散热、新风装置是太阳能系统的一个散热元件, 同时也是建筑的一个通风元件。采用浮力效应的原理设计, 即:利用太阳能热水系统贮藏在水箱中的热水, 经过循环泵的循环, 使热水经过太阳能散热、新风装置内的翅片盘管, 充分散热, 加热盘管周围的空气, 空气受热后体积膨胀、密度减小, 空气开始向上流动, 引起盘管周围压强减小 (与室内相比) , 在压差的作用下, 室内的空气开始向外流动, 使太阳能散热、新风装置能够起到更换室内新风的作用。
太阳能散热、新风装置是为解决太阳能系统过热而设计的一种产品, 当太阳能系统存在季节性过热情况时, 太阳能散热、新风装置将作为系统的耗能设备, 消耗掉太阳能热水系统中过剩的热量, 保证了系统正常运行。但是, 已经得到的热量又白白散掉势必造成极大的浪费, 因此, 把这种散热器制作成建筑的新风装置, 用来给建筑更换新风, 提高太阳能热水系统的综合利用率。主要适用于太阳能空调系统和周期性短期居住的住宅太阳能热水系统中。
二、太阳能散热、新风装置的主要构件
太阳能散热、新风装置的主要设计思路是为缓解季节性太阳能热水系统过热问题, 同时改善建筑环境的新风之作用, 其主要构件为风管、盘管换热器和无动力风帽, 热源为太阳能系统产生的热量, 冷源为拔风器内的可流动的空气, 通过调节热源的温度和流量来调节拔风器的排风量。
1. 风道与盘管换热器
盘管换热器包括彼此连通的内盘管和外盘管, 内盘管置于风管的中部, 外盘管套置于内盘管的外部, 内盘管和外盘管在风管的上端连接, 内盘管在风管的下端设有进水端, 此进水端同太阳能热水系统的供水端连接, 外盘管在风管的下端设有出水端, 此出水端同太阳能热水系统的回水端连接。
盘管换热器固定于风道内, 且同太阳能热水系统的供水端和回水端连接形成一散热循环, 太阳能热水系统中的过剩热量通过换热器散热后, 通过风管外排, 同时此热量作为风管的动力, 增加了风管的排风量。
2. 无动力风帽
无动力风帽是通过一过渡件固定于所述风管的上端, 风管的横截面为符合建筑模数的方形结构, 无动力风帽的连接横截面为圆形结构, 因此过渡件的一端为与风管横截面结构相符的方形结构, 其另一端为与无动力风帽横截面结构相符的圆形结构。与无动力风帽的结合可以形成一种功能的互补, 也就是说在太阳能热水系统不过热的季节, 该排风装置仍可以通过无动力风帽少量的排风, 而在太阳能热水系统过热的季节, 无动力风帽起到推波助澜的作用。
三、太阳能散热、新风装置的工程实例
1. 工程实例介绍
零碳馆座落于北京奥林匹克森林公园, 该建筑为一层建筑, 光热部分是采用太阳能光热系统与吸附式空调机组相结合, 对建筑进行制冷, 同时, 还对两个洗浴间进行生活热水供应, 考虑到除夏季制冷外其余季节太阳能热水系统在满足洗浴外仍存在热量过剩的现象, 在该建筑的三个卫生间上安装了两个太阳能散热、新风装置, 其作用有两个, 其一, 太阳能热水系统过热季节启动太阳能散热、新风装置, 可以起到为太阳能系统散热的作用;其二, 通过太阳能散热、新风装置的拔风作用, 可以给建筑更换新风, 和防止卫生间的浊气污染室内环境。
如图3所示, 在该建筑的屋顶安装了两台太阳能散热、新风装置, 其中一个为500型:500mm×500mm截面, 高度为1000mm;另一个为300型:300mm×300mm的截面, 高度为500mm, 安装基础高出屋面500mm, 太阳能散热、新风装置的外壳为玻璃钢内夹保温材料的复合板, 内设盘管为6分铜管, 其中500型为螺旋形盘管且盘管上带有翅片, 盘管四周距外壳50mm, 盘管长度为12m, 另一个300型换热器为6分上下直管呈并联状态, 换热器用管长度为15m, 分布相对剧中且从基础面伸向建筑500mm。太阳能拔风器通过膨胀螺栓密封胶与建筑连接。
2. 测试方案及数据分析
本工程安装调试后, 对其系统进行了测试。测试试验采用数据采集仪自动采集数据, 触摸屏电脑现场显示测试曲线, 采用7个温度传感器、两个风速风温传感器和系统自带的
涡轮流量计进行数据测试, 具体的测试方案示意图见图4。
(1) 排风量的计算
Q=3600·V·S
式中:Q—为太阳能散热、新风装置内的风量, m3/h;
V—为太阳能散热、新风装置内的风速，m/s;
S—为太阳能散热、新风装置的横截面积，m2。
(2) 散热能力的计算
P=C·M·ΔT·106//3600
式中:P—散热功率, W;
C—比热容, kJ/ (kg·℃) ;
M—质量流量, T/h;
ΔT—进出口温差, ℃。
在太阳能散热、新风装置正常运行后, 对其进行测试实验, 根据测试数据得出太阳能拔风器正常工作时的盘管的进出口温度、拔风器的温度、拔风器的排风量和风速以及拔风器的散热功率, 具体结果见图5、图6和图7。
结论
1.根据太阳能散热、新风装置的测试数据, 得出太阳能散热、新风装置正常工作时的通风量范围在2000～2500m3/h之间;散热能力在7～12kW之间。
2.太阳能散热、新风装置的主要构件由风管、盘管换热器和无动力风帽三部分组成;拔风器的热源为太阳能热水系统的集热、储热装置, 冷源为建筑室内的空气, 通过调节热源的温度和流量可以调节太阳能散热、新风装置的排风量。
高精度太阳能自动跟踪装置的研制 篇9
关键词：太阳能,自动跟踪,控制,双轴机构
0 引言
随着现代工业的高速发展，能源需求快速增长，而煤、石油与天然气等传统能源的大量开采使用，使传统能源濒临枯竭，与此同时还带来了大气污染、天气变暖等环境问题。怎样使经济快速发展与环境保护“和谐共存”良性发展，是世界关注的焦点。开发清洁新能源正是解决这一问题的必然途径，也符合现代低碳、绿色、环保、节能与可持续发展的社会主题。太阳能是一种取之不尽、用之不竭，可以再生的清洁无污染资源丰富新能源。但太阳能存在着密度低、不易收集，随光照方向与强度随季节气候与天气昼夜变化而变化的特点，使太阳能的利用存在间歇性与不稳定性的特点。若能始终保持太阳板和光照的垂直，那么就能使太阳能的最大化地接收利用[1]。
光伏发电装置是能量转换装置中的一种，其核心是光能到电能的转换，具有清洁、绿色、环保无污染等特点。目前，世界各国政府制定各种优惠及相关扶持政策，促使太阳能光伏发电在各行各业中应用，如交通、建筑、海岛发电、通讯与航天等相关领域。太阳能自动跟踪控制系统是光伏发电系统的重要组成部分，本文着重阐述了太阳能的自动跟踪控制原理、控制方式与机械机构等内容。
太阳能自动跟踪控制系统就是能够保持太阳能电池板随时正对太阳，使光线随时垂直照射太阳能电池板的动力装置，主要功能就是实现光伏电池输出功率最大化。通过自动跟踪阳光直射方向来使光伏电池的效率最大化，香港大学教授研究了太阳光照角度与太阳能接收率的关系，理论分析表明：对太阳光线运动的自动跟踪与非自动跟踪，太阳能设备能量的接收率相差37.7%，精确地自动跟踪太阳可使太阳能设备的能量利用率大大提高[2]。为获得最大输出功率特此设计制作本装置。
1 太阳运行轨迹
众所周知，太阳每天东升西落貌似寻常，其实其日照时间与南北位置都在缓慢的变化着，这种变化是随着地方时和太阳赤纬的变化而变化且有轨迹可循，是用太阳赤纬角、高度角、方位角表示。根据天体运动学，可通过公式计算太阳理论运动轨迹与现实位置具体如下文所述。
1.1 太阳的赤纬角
太阳光线与地球赤道面的交角就是太阳的赤纬角，以δ表示，在一年当中，太阳赤纬角每天都在变化。但不超过-23.27O～+23.27O的范围。夏天最大变化到夏至日的+23.27O;冬天最小变化到冬至日的-23.27O。太阳赤纬随季节变化，按照库伯方程[3]，由下式计算：
1.2 太阳高度角
太阳高度角是指从太阳中心直射到当地的光线与当地水平面的夹角，以h表示，其值在0o～90o之间变化，日出日落为0o，太阳在正天顶时为90o，计算太阳高度角的公式由文献[4]附表查得：
其中，φ：当地纬度(保留一位小数);δ:太阳赤纬;t:太阳时角。
以当地真太阳时正午为0o，每隔一小时变化15o上午为正，下午为负。
T:真太阳时;太阳时角t:
式中，T：真太阳时;CT：地方标准时(时区时)，中国以120°E地方时为标准，称为北京时;LC：经度订正(4分钟/度)，如果地方子午圈在标准子午圈的东边，则Lc为正，反之为负;EQ：时差。
1.3 太阳方位角
太阳方位角指太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，可近似地看作是竖立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方的夹角,用γ表示[5];方位角以正南方向为0o，由南向东向北为负，由南向西向北为正，如太阳在正东方，方位角为-90°，在正东北方时，方位为-135°，在正西方时方位角为90°，在正北方时为-180°。
太阳方位角按下式计算：
由于太阳相对地球的位置是相对于地面而言的，一般用高度角和方位角两个坐标表示。
1.4 日出日落时间确定
日出、日落时间晨线上的各地同时日出，昏线上的各地同时日落。根据某地昼夜长短计算日出日落时刻，可遵循以下公式[6]:
从上述公式可计算出太阳方位角一年中最大值是夏至日，高度角最小值是冬至日。由这两个特殊日子的太阳高度角和方位角，就能确定该装置的自动跟踪范围，依据日出日落时间确定便能实现精准自动跟踪。
通过上述公式计算可得，郑州在一天之间太阳方位角水平方向变化约1 8 0o(61o05′～118°85′)，高度角日变化约在31°50′～78°42′之间，最佳日照高度角为41o44′,(郑州经度113o39′纬度为34°44′)。
2 自动跟踪方式选择
目前太阳能自动跟踪系统从控制方法看主要有以下四种;匀速控制方法、光强控制方法、时空控制方法以及混合控制方法;从机械结构看主要分为单轴自动跟踪方式、双轴自动跟踪方式、斜轴与极轴自动跟踪方式;从控制精度看主要是方位角精度与高度角精度。本装置控制系统采用的是高精度双轴追踪混合控制方式，具体是高度角一方位角双轴自动跟踪式匀速时钟和光电检测混合式控制方法，在阴天、光线较暗与在夜晚时系统不跟踪采用匀速时钟控制方式;当光线照度达到控制要求时，自动启用光电精确跟踪，实行自动调节跟踪控制，保证光→电转换高效。
3 控制系统组成与概述
该控制系统设计主要由以下五个模块组成：高度角运动控制模块、方位角运动控制模块、光电检测转换驱动模块、步进电机驱动模块、步进电机以及电源模块等，如图1所示。
本系统采用的是高精度双轴追踪混合控制方式，太阳的光照强度是随着节气天气变化而实时变化的，当光照强度达到系统要求时，启动光电精准自动跟踪，由四个光敏传感器一直采集光照强度，经过信号处理，使继电器闭合控制器导通，由驱动器驱动步进电机进行高度角一方位角双轴自动自动跟踪调节控制。实施光电精准控制，采用光桶四象限方法，在光线较好情况下，光桶的照射面与太阳光最佳时系统停止自动跟踪，停止时间为12min;当采集到高度角和方位角的光电信号差达到一定门控值时可再次启动系统进行自动跟踪。当天气不好、光线强度比较弱时，采用匀速时钟控制方式，在方位角上以150/h匀速运动，直至西边118.850限位处，夜晚自动复位直东边-61.050起点处。两种自动跟踪方法相互切换，消除了光电自动跟踪受天气影响的问题提高了太阳光能的利用率。
3.1 光电追踪转换控制单元
光敏电阻传感器是光伏发电自动跟踪系统的光信号采集装置，它的使用原理是依据光照强度不同，光敏电阻的阻值不同。为能够精准的采集信号，采用四个光敏电阻，两个一组，都敷设在光伏电池阵列接收光平面上。一组放置于东西方向用于检测太阳方位角变化，另一组放置于南北方向用于检测太阳高度角变化。具体安装光敏电阻如图2安装示意图。图中每个光敏电阻与隔板之间的距离全部为2cm，隔板高度为15cm，外面为不透光材质的塑料采光盒高度为10cm，底面半径10cm。所以，当光线偏离4个光敏电阻的中心线时，由于隔板就会在光敏电阻所在区域上留下阴影,从而使光敏电阻能够很好采集信号[7]。
具体采样驱动工作过程如图3所示：光敏电阻RG1与RG2、电位器W1、W2组成光敏检测桥，如图2所示在同一平面安装的RG1和RG2被中间隔板部分遮住光线时，则RG1与RG2所处的电位就不同，检测桥向运算放大器LM358提供较小的差分电压信号。经运放处理成高低电平，由74LS00进行逻辑判断分别输出高低电平，然后由9014对信号进行放大，驱动继电器吸合，使控制器信号导通，输出到驱动器，驱动器就驱动步进电机进行精准追踪。同理RG3和RG4与上述工作原理相同，不再重复叙述。
3.2 步进驱动器
为了系统电气特性相匹配，本设计选用雷赛智能控制公司的MA860H驱动器驱动电机，该驱动器采用差分式接口电路，内置高速光电耦合器，允许接收长线驱动，集电极开路和PNP输出电路的信号，抗干扰能力强。本驱动器为交直流供电，其供电范围24V≤供电电压≤90V，其工作峰值电流范围为2.4A～7.2A，输出电流可调共有8档，电流的分辨率约为0.6A;具有自动半流，过压、过流保护等功能，其微步细分数可调有16种，最大步数为51200Pulse/rev(具体功能说明见表1)，性能较稳定适合在户外工作[8]，具体连接使用如图4所示。
3.3 自动跟踪控制器
控制器采用的是无锡市信昌电子科技有限公司的XC601简易单轴运动控制器，它是一款经济型步进电机控制器，不需编程就具有丰富的通用功能，有适用于传感器控制的往返运动控制、速度控制、限位控制与自动返回原点等功能(如表2所示)，能够满足太阳能自动跟踪装置的控制要求，具体使用如图4所示。它性能稳定、可靠性高、抗干扰性强与保护功能完备，适合于各种环境恶劣的工业现场使用[9]。
4 机械结构组成
该装置机械部分主要包括太阳能电池板安装部分、高度角转动机构和方位角转动机构三部分。高度角转动机构和方位角转动机构配合，使太阳能电池板部分实现水平旋转和高度角上下运动,太阳能电池板中心轴线上安装有光敏电阻，通过电路控制自动自动跟踪太阳，具体结构如图5所示。太阳能电池板安装部分主要有：电池安装固定板12、固定板背面有丝杠滑块10及其轨道11等相关部分组成，可使太阳光总是垂直照射在电池板上，达到了单位面积上的太阳能高效利用。高度角转动机构主要有：带减速器的步进电机7、啮合齿轮8与丝杠9等相关部分组成，该机构距离电池板近，可实现小幅度的驱动带动电池板大幅度的俯仰动作。方位角转动机构主要有：底座1、步进电机2、减速器3、啮合齿轮4、水平转轴5及方位旋转平台6与电池安装固定板直接相连并实现方位角追踪旋转。该装置机械结构集中，两轴(方位角轴与高度角轴)转向互不干扰，简单合理，占用空间少，灵活度高、工作可靠稳定、使用寿命长。
5 结束语
本文研制了一种高精度太阳能自动跟踪装置，控制系统采用匀速时钟和光电检测混合式控制方法：在阴雨天气时能够根据太阳位置匀速转动跟踪太阳;在晴天时通过光敏电阻寻找最佳辐射点，驱动双轴自动追日;同时该控制系统根据太阳高度角及方位角不断变化的特点，以跟踪太阳运动轨迹为主，结合光电跟踪自动校正，驱动双轴(方位角轴与高度角轴)的步进电机运转，使跟踪更为精确、高效。该装置机械机构主要包括太阳能电池板部分、俯仰转动机构和水平转动机构三部分构成，机械结构简单合理,两轴(方位角轴与高度角轴)转向互不干扰,灵活度高，防尘好，工作可靠稳定、使用寿命长，成本低廉，实用性强具有重大推广意义。
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[8]深圳市雷赛智能控制股份有限公司.MA860H两相步进驱动器使用手册[Z].2012,10.
太阳能装置 篇10
国家“九五”大科学工程EAST(先进超导托卡马克实验装置)建设项目总负责人万元熙解释说，太阳上面为什么永远发出这样的光，能量永远不会减?在高压高温下面，太阳从里面到表面都在发生聚变反应，正是因为这些聚变反应释放出大量能量，使太阳上亿年源源不断发出光和热。但是太阳上的聚变反应是不可控的，就像在地球上看到的氢弹爆炸，巨大的能量在一瞬间释放出来，只能起到毁灭性的破坏作用。为了让这种能量为我所用，需要将能量释放过程变成一个稳定、持续并且可控制的过程。LAST正是起着这一转化作用，通过磁力线的作用，氢的同位素等离子体被约束在这个“游泳圈”中运行，发生高密度的碰撞，也就是聚变反应。从1升海水中提取的氢的同位素，实现完全的聚变反应，放出来的能量等同于燃烧300公升的汽油所获得的能量。
万元熙说，制造一个装置实现受控热核(聚变)反应，可以得到无穷尽的清洁能源，就相当于人类为自己制造一个或数个小太阳，源源不断从核聚变中得到能量。
EAST工程是国家“九五”重大科学工程，工程总投资近3亿元，在进行一段调试和修改补充工作后，预计2006年七八月份正式运行，进行放电试验。
太阳能装置 篇11
能源是人类生存发展的物质基础,当前,随着全球经济的快速发展,包括我国在内的各国对能源的需求与日俱增。太阳能作为一种可再生的新能源,受到世界各国的关注。如何提高光伏组件的能量转换效率一直是太阳能利用的焦点,实现对太阳运动轨迹的自动跟踪是提高光伏组件转换效率的有效方法。据相关研究指出,光伏发电阵列进行太阳运行轨迹跟踪时,可以比固定式阵列提高33%的效率[1],且太阳自动跟踪越精确,其发电效率越高。基于以上目的,本文提出了一种基于双轴的太阳能自动跟踪装置。
1硬件结构组成
图1为太阳能自动跟踪装置的结构框图,该装置为基于Msp430F149单片机的双轴跟踪装置。系统可以在方位角、高度角两个自由度上跟踪太阳运行轨迹。本装置由四象限探测器、时钟电路、信号处理及控制电路、方位角及高度角调整模块组成。
1.1四象限探测器的结构及工作原理
当四象限探测器接收阳光时,将会在光敏探测器上产生光斑,当光斑的中心与四象限探测器的中心不重合时,则说明太阳的位置发生了偏移。图2为光斑与四象限探测器中心位置关系,图2(a)为两个中心相重合,即信号采集传感器与阳光照射方向相垂直;图2(b)为两中心不重合,用Δx表示光斑与四象限探测器中心位置在x轴上的偏差量,Δy表示在y轴上的偏差量。
1.2电流信号处理电路
四象限探测器输出的信号类型是微弱电流信号,A/D转换芯片只能够对电压信号进行处理,因此需要信号处理电路将电流信号转换成A/D采集模块识别的电压信号。转换电路如图3所示。
由计算可得到太阳光线在x和y方向的实际偏差值:
其中:U1,U2,U3,U4为对应的转换电压;R为太阳光的偏移角度。图3中,IN1,IN2,IN3,IN4为四路光电流信号,图4反相电路同样采用LM148,输出的电压信号经过反相跟随后输出A/D转换芯片能够识别的电压信号AD0、AD1、AD2、AD3。
1.3步进电机驱动电路
步进电机驱动电路如图5所示,该电路可以对控制电路输出的脉冲进行环形分配和功率放大,从而控制步进电机的转动。当控制电路发出一个脉冲信号和一个正方向信号时,通过DMD403进行环形分配和功率放大后,步进电机顺时针转动;当DIR端口加负方向信号时,步进电机逆时针转动。
2软件设计
整个自动跟踪是在Msp430F149[2]单片机的协调控制下完成,主程序流程图见图6,系统的软件程序主要由中断程序及若干子程序组成。软件部分主要完成以下工作:
(1)开机初始化:包括单片机内部定时器初始化、模数转换模块初始化等。
(2)时间判断:判断装置运行的时间是否在8:00~18:00之间,若不在8:00~18:00之间时,自动跟踪装置停止工作;根据地区的不同,装置可以由软件改动时间,到18:00之后,自动跟踪装置停止工作并固定在原位置直至20:00,之后复位。
(3)跟踪方式选择:晴天时,系统选择 光电式跟踪;否则,采用时钟式跟踪。
基于双轴的自动跟踪装置采用光电式跟踪和时钟式跟踪相结合的方式,两种跟踪方式可自动切换。光电式跟踪实时采样太阳的空间位置数据,通过控制电路来比较分析太阳运行轨迹变化,驱动步进电机跟踪太阳的位置。时钟式为辅助跟踪,在乌云或阴天等天气条件较差的情况下,采用此方式跟踪控制。太阳每天转动360°,假设装置每N分钟转动一次,则一天中装置每次应转动(N/4)°,该太阳能自动跟踪装置的N取值为5min[3],即每5min跟踪装置转动1.25°。在天气晴朗时,太阳光较强,装置采用光电式跟踪模式;在有乌云或阴雨天等较差天气条件下,由于光线较弱,装置将自动切换到时钟式跟踪模式。
3实验论证
取两组性能参数相同的光伏组件,一组按当前地理位置的最佳角度固定式安装,另一组运用自动跟踪装置,图7(a)为晴朗的天气条件下,测试两组光伏组件得到的采样光强;图7(b)为中午前后突然降雨,两组光伏组件采样的光强。
比较两种安装方式在不同天气情况 下的采样光强。晴朗天气条件下,固定安装式的光伏组件全天只在11:00~14:00这段时间,共计3h左右,光强达到1000 W/m2。自动跟踪式的光伏组件光强达到1000W/m2左右,时间则从9:00~16:00,近7h。在天气突变条件下,双轴跟踪方式相比于固定式,光伏组件接收了更多的太阳能。根据以上采样数据,可以计算得出:晴朗天气下,固定安装的光伏组件全天平均接收光强为622.8 W/m2,自动跟踪式的全天平均接收光强为873.4 W/m2,可增加发电功率40.2%;天气突变情况下,固定安装光伏组件全天平均接收光强为497.3W/m2,自动跟踪式的全天平均接收光强为715.4 W/m2,可增加发电功率43.8%。
4结论
(1)本太阳能自动跟踪装置采用光电跟踪和时钟式跟踪相结合,克服了天气影响、误差累积等缺点,并能自动检测光强的变化。该太阳能自动跟踪装置的跟踪精度高,可靠性较好。
(2)通过实验数据分析可得,与固定安装相比,自动跟踪装置的太阳能利用率提高了40%左右。该跟踪装置成本较低,效果好,具有较好的推广价值和应用前景。
摘要：为了提高太阳能电池的转换效率,设计了一种以Msp430F149单片机为核心,基于双轴的太阳能自动跟踪装置。该装置能精确跟踪太阳运动轨迹,使太阳能电池组件在晴天时始终垂直接收太阳光;在阴天时自动切换至时钟式跟踪,其转换效率高、成本低。实验结果表明,对比固定安装的太阳能电池板,在相同条件下,采用太阳能自动跟踪装置的太阳能电池板的接收率提高了约40%。