聚光光伏（共6篇）
聚光光伏 篇1
太阳能已经成为了中国21世纪发展国民经济和建设小康社会最刻不容缓的主要任务和战略目标。太阳能能源丰富,不受地域条件,和其他方面的限制,可以免费获取,人类均可以利用和开发太阳能,造福于国家和社会。但是由于太阳能的能量密度低,能量分散,利用率却不是非常的高,该文介绍了一种太阳能聚光伏跟踪系统的方案。
1 我国太阳能资源的现状分析
中国幅员辽阔,具有丰富的土地和资源,其中太阳能资源更加是非常的充足,据估算,我国每年的陆地表面接收的太阳能能量达到了10亿立方米,从分布的地域来看,青藏高原等海拔高度比较高的地方,辐射量是最大的。这些地方大气轻薄,透明度良好,纬度低,日照时间比较长。太阳能主要利用包括了三大领域:光电转化技术,光化学转化技术,和储能技术。
2 光伏发电的基本概念和分类
太阳能光伏发电系统是利用太阳能电池半导体材料的光伏效应,将太阳光辐射能直接转化为电能的一种新型发电系统。太阳能光伏发电系统是将太阳能直接转化成电能的发电系统,利用的是光生伏打的效应。
太阳能光伏发电系统可以分为独立太阳能光伏发电系统和并网太阳能光伏发电系统,两个都是具有各自的优势和用途。
独立太阳能光伏发电系统是指太阳能光伏发电不与电网连接的发电方式,主要是用于民用范围比较远的地区,比如家庭系统,村级太阳能光伏电站。工业范围内主要用于电讯,卫星广播系统,小型风力发电。
并网太阳能光伏发电系统是指太阳能光伏发电与国家电网连接的发电方式,最典型的特征是不需要蓄电池,主要用于商业用途:企业,政府大楼等。工业领域有太阳能光伏发电场。
3 光伏发电的系统主要组成部分
太阳能发电系统由太阳能电池组,太阳能控制器,蓄电池组成,输出电源交流为220v或者是110v,还需要配置逆变器。各部分的作用如下。
3.1 太阳能电池板
太阳能电池板是太阳能发电系统的核心部分,也是价值最高的部分。其作用是太阳能辐射能量转化成电能,或者是送往贮蓄板中贮蓄起来。太阳能电池板的成本和质量直接关系到发电系统的质量和成本。
3.2 太阳能控制器
太阳能控制器的主要作用控制整个系统的工作,并且对蓄电池起到良好的保护作用,过放电保护作用。在温差较大的地方,合格的控制器还具有温度补偿的功能。
3.3 蓄电池
蓄电池一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用锂电池。其作用是在光照的时候将太阳能电池板所发出的点存储起来,到需要的时候选择释放出来。
4 光伏系统的关键技术和产业链
4.1 关键技术
我国的并网光伏电起步时间是比较晚,近年来,发展速度是非常快,相关的部门开展了一系列有关的研究和工作,且取得了一定的成果和进展。这些进展都表明了我们已经初步掌握了并网光伏电发电系统的关键技术。包括了cvtpwm最大功率跟踪控制技术,并网逆变技术,系统的数据实时采集和传输技术,具有了良好的能力。
4.2 光伏产业链
光伏产业链是一条垂直链,目前掌握的上游企业的利润比较高,下游企业利润比较低。如图1所示。
光伏电池的制备工艺过程非常的复杂,晶体硅电池增长的速度迅猛,要灵力多达五个阶段来完成。国际上主流的技术主要存在着西门子法,流化床法和冶金法,不同的提炼技术的成本与提炼效率是正关系。多晶硅的提炼纯技术是制约光伏产业中最大的瓶颈。一方面是工艺成本技术,另一方面是生产多晶硅流程消耗的环境污染成本。
据权威产值分析,多晶硅提炼环节占据光伏产业的比重达到了一般以上,技术决定了价值是没有错的。而世界范围内多晶硅产能扩充能力来源于此。多晶硅和硅片切割环节仍然是价值链中最重要的领域之一。
5 结语
太阳能作为一种永不枯竭,可再生的能源受到了广泛的推广,我们要使得系统能够输出最大的电能,除了要研制价格低廉,能量转换率高的光电材料之外,还要科学实现控制。这些控制方法不仅包括了光伏自动跟踪技术和最大功率控制技术。太阳能光伏系统整体的结构是复杂但是有科学逻辑,帮助了我们解决了生活中的各个难题,成为一种新型的产业,影响着我们的生活和社会的方方面面。利用好可再生能源有助于造福人类,造福于世界,生活会变得更加的美好,和谐和幸福。
摘要：随着科学技术的不断发展,人类赖以生存的环境日益面临着巨大的挑战,大力发展新能源已经成为了一种新的趋势。而太阳能则是符合人类的需求的一种新能源。但是,由于太阳能的分布并不是非常的均匀,辐射的时间也会随着日照方位和天气变化而影响。因此,如何有效的利用太阳能资源成为了首要解决的问题。
关键词：聚光太阳能,光伏发电,研究应用
参考文献
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聚光光伏 篇2
关键词：太阳能；聚光系统；免跟踪；光伏系统；折射原理；反射原理 文献标识码：A
中图分类号：TN21 文章编号：1009-2374（2016）19-0020-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.19.010
常规能源在全球范围的大量消耗，导致全球气候持续变暖的问题日益严重，环境不断恶化，人们开始关注并且越来越重视清洁新能源之一的太阳能。但是太阳能到达地面的能流密度较低，其峰值为1kW/m2。
本文提出了4倍聚光的免跟踪光伏系统。通过增加光伏聚光系统太阳入射角，使光伏聚光系统在太阳赤纬角的变换方向上依然优于90%的聚光效率，降低对跟踪精度的需求。
1 光伏聚光系统设计
菲涅耳透镜为一级聚光器，抛物面镜作为二级聚光器。非垂直入射光入射至聚光系统的一级聚光器，然后经过一级聚光器折射至二级聚光器，最后经二次聚光器反射至太阳能光伏电池表面，从而实现太阳接收角的
扩大。
1.1 菲涅耳透镜
菲涅耳透镜可以作为一种使透射的入射光折射聚焦的聚光体，如图1所示：
对于一般菲涅耳透镜的设计，焦距和聚光孔径作为设计时的已知条件，所以对菲涅耳透镜的设计可通过已知参量计算每一个小楞齿的倾角，直至设计至透镜中心即可得到菲涅耳透镜。
与菲涅尔透镜轴线的夹角，到达透镜左侧平面时入射角为i1，折射角为i1′，光线穿过透镜，到达右侧小斜面的光线入射角为i2，折射角为i2′，最后光线射出透镜时与菲涅尔透镜轴线的夹角为u′，则根据折射定律有：
图3中，F为入射光线与菲涅尔透镜轴线的交点，也是折射光学的物点；f为物距；F′为出射光线与菲涅尔透镜轴线之间的交点；f′为像点到透镜平面中心点的距离，即像距。A为入射光线在透镜平面上的入射点；r为A点到菲涅尔透镜轴线的距离；B点为出射点，是出射光线与透镜小斜面的交点，同时在设计中取B点为小斜面的中点；r′为B点到菲涅尔透镜轴线的距离。B为菲涅尔透镜的齿距；h为B点到透镜平面的距离。
1.2 二级聚光器的设计
二级聚光器的设计是基于费马定理设计CPC的边缘射线法。费马定理（Fermat′s Principle）指出物点到像点之间的所有光线的光学路径长度（optical path length）相等。CPC设计的出发点是希望入射光线即使不是垂直入射聚光器，但只要入射角度在0°到某一最大角度θ之间，入射光线在从进入聚光器入射口后均可最多经过一次反射均可由出射口射出。
如图4所示事先确定聚光器入口AA′、最大入射角度θ以及出口聚光边缘B′，就可以得到聚光器的轮廓抛物线。图4中获取的为下方的反光面AB，同理可以得到上反光面A'B'，在实际应用上，上下两个面的最大入射角大都采用相等的对称结构，但是两个反光面的最大入射角在原理上可以不同。
基于上文所述设计二级聚光器，如图5所示：
2 设计思路
地球的运行分为公转和自转。要提高太阳能的利用率，就应掌握太阳的运行规律，使太阳能电池板对太阳进行实时跟踪。太阳赤纬角则是连接太阳中心和地球中心的线与赤道平面的夹角，用表示。太阳赤纬角实际上代表的是太阳直射点的纬度，其变化规律如图6所示。春分后，太阳移向北回归线直至夏至日，赤纬角由变化到+23.45°；夏至日后向赤道移动，直至冬至日到达南回归线，赤纬角由+23.45°到-23.45°；冬至日后重新向赤道移动。故太阳赤纬角随时间的变化而逐渐变化，且赤纬角的大小与所在地无关，只与时间有关。
因此，本文通过扩大太阳能接收角度，一方面降低了聚光系统对跟踪装置跟踪精度的要求，可以减少复杂的机械以及传感系统的使用量，从而造成了经费的大量支出以及大量的维护成本；另一方面，当接收角度大于±24°，也就是大于太阳赤尾角的最大角度α=±24°时，就可以免除追日系统在二维方向上的控制，因此只使用免跟踪即可。
传统光伏聚光系统均是以确定入射角度，也就是垂直入射光线为基础的条件下设计的，所以在使用时非常依赖高精度的追日系统，这样才能在维持特定的入射角度下保证聚光效率，但高精度追日系统本身的制造以及在恶劣条件下的频繁维护都造成了系统的高昂成本。
3 结果分析
通过lighttools对光伏聚光系统建模并优化后，分别选取入射光线0°、12°和24°的入射光线进行了分析。
3.1 0°入射角照度分析
太阳以0°入射角入射到聚光系统，光路图如图7所示：
图7为模拟阳光0°入射聚光系统，通过聚光辐照至太阳能电池片上的辐照图。其中入射功率88.1W，最大5835.1W/m2，聚焦范围内平均3613.9W/m2，接收功率87.9W。能量利用率99.89%，聚光倍率4.2倍。
3.2 12°入射角照度分析
太阳以12°入射角入射到聚光系统，为模拟阳光12。入射聚光系统，辐照度分析图。其中入射功率88.1W，最大5780.7W/m2，聚焦范围内平均3492.1W/m2，接收功率85.00W，能量利用率96.3%，聚光倍率4.05倍。
3.3 24°入射角照度分析
太阳以24°入射角入射到聚光系统，光路图如图8所示：
图8为模拟阳光24°入射聚光系统，辐照度分析图。其中入射功率82W，最大12413W/m2，聚焦范围内平均3153W/m2，接收功率76.7W，能量利用率92.4%，聚光倍率3.93倍。
4 结语
设计了口径为320mm×320mm、焦距为310mm、4倍聚光的免跟踪光伏聚光系统。系统通过增加聚光系统的视场角，降低了光伏聚光系统对高精度追日系统的依赖，从而降低了光伏系统的安装以及维护费用。分析结果表明，在太阳光入射角不大于±24°的范围，本文所设计的光伏聚光系统的光伏聚光效率均优于90%。
在当前我国土地资源日益紧缺，国家鼓励光伏分布式发电的大背景下，小模组聚光发电系统将具有广阔的应用价值。本文针对有限使用面积下独立聚光系统的建设所做的设计，为今后小模组温棚、光伏屋顶等聚光发电与自然光照射互补的光伏应用提供了有力的支持。
参考文献
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作者简介：高明，男，陕西西安人，西安工业大学光电工程学院教授，博士，研究方向：光学设计理论及技术、光电精密测试技术、光大气传输理论及技术。
聚光光伏 篇3
目前能源短缺、环境污染和温室效应等问题已严重影响了人类的生存和发展, 开发新能源和可再生清洁能源已成为当今全世界所面临的一个共同课题[1]。
在新能源研究和开发领域, 太阳能光伏发电技术无疑倍受瞩目。目前, 由于平板光伏发电技术的光电转换效率较低, 且相应的硅材料价格昂贵, 致使其发电成本很难与传统的火力发电相竞争[2]。而作为第三代太阳能发电技术的聚光光伏 (CPV) 发电技术[3,4,5,6]利用聚光光学元件显著地减少了太阳电池成本[7], 并使用高转换效率的电池来获取更多的电能输出, 因而已成为未来光伏发电的一大发展趋势[8]。
在CPV发电技术中, 组件无疑是整个系统最核心的部分, 较为恶劣的使用环境和较长的寿命年限 (25年) 都对CPV组件的封装方式和质量提出了严格的要求。目前国内外CPV组件的生产厂家, 如美国Amonix和国内的日芯光伏等, 大多借鉴平板组件的铝合金边框封装技术, 但由于CPV组件光学系统的特殊性, 使得这种封装技术很难适应CPV组件规模化生产的需要。在保证组件性能和寿命的前提下, 如何提高封装效率已成为CPV发电技术中一个亟待解决的问题。
本文提出将目前广泛应用于建筑窗体、幕墙上的中空玻璃[9,10]技术运用到CPV组件封装中, 分析了中空玻璃封装技术同铝合金边框封装技术相比的优势, 并探讨利用该封装技术进行CPV组件规模化生产的可行性。
1 中空玻璃技术
中空玻璃于1865年由美国人发明, 是一种良好的隔热、隔音、美观适用、并可降低建筑物自重的新型建筑材料。它由2层或多层平板玻璃构成, 四周用高强高气密性复合粘结剂, 将2片或多片玻璃与内隔框 (铝框架或玻璃条等) , 经胶结、焊接或熔接而制成。中空玻璃现在已被大量应用于建筑幕墙, 其所面临的自然环境因素 (见表1) 与安装在户外CPV组件有着相似之处, 且都要求有较长的寿命年限。
表1中各种不利的环境因素能引起多种物理以及化学应力, 导致中空玻璃性能的下降。为保证其使用寿命和性能, 目前中空玻璃技术一般采用双道密封系统, 如图1所示。
第一道密封胶一般使用热熔性丁基胶, 由于它对水汽的隔阻作用很好, 可以延长中空玻璃的使用寿命。第二道密封胶有聚硫胶、聚氨酯胶和硅酮胶, 其主要作用是实现玻璃板和间隔框之间的结构性粘接和密封。间隔框一般为中空铝间隔条, 内部灌充的干燥剂通常为分子筛, 其可以吸收间隔层中的水分, 保持间隔层干燥、不结露。
目前中空玻璃的生产技术以及工艺已经非常成熟, 仅在我国采用全自动化生产中空玻璃的企业就已达千余家, 相关中空玻璃的国际和国内标准出台 (如BS EN 1279, GB 11944-2002) , 更进一步地促进了整个行业的规范和健康发展。
2 CPV组件的铝合金边框封装
CPV组件主要由聚光光学透镜面板、贴有高效太阳电池 (单晶硅或砷化镓电池) 的电路底板以及边框组成。
图2、图3所示分别为目前大多数平板光伏组件[11]和CPV组件所采用的铝合金边框封装结构示意图。
从图2、图3中可以看出CPV组件的这种封装结构与平板光伏组件基本相同, 都是采用铝合金材料做边框, 再用密封剂 (通常为有机硅材料) 进行粘接密封。但与平板光伏组件有所差异的是, CPV组件对封装质量的要求更高, 因为其封装不仅会涉及到整个组件的防水、防尘和绝缘性能等问题, 还会直接影响组件的光学系统。CPV组件在这种封装结构下, 由于中间间隔层较大, 内部充满了大量空气和水分子, 在较大的温差影响下 (组件工作温度范围为-40～85℃) , 不可避免地会出现内部水分子的凝聚, 从而对CPV组件的电路元件造成腐蚀, 此外由于间隔层内部气压随温度的变化也会影响组件的聚光光路和使用寿命, 对封装质量的较高要求也直接影响了CPV组件批量生产的效率。
3 CPV组件的中空玻璃封装
采用中空玻璃技术进行封装的CPV组件的结构如图4所示。
3.1 技术优势
同一般的铝合金边框封装技术相比, CPV组件的中空玻璃封装技术有如下优点:
1) 中空铝间隔条内的分子筛能有效吸收空气间隔层内的水分子, 避免电路元件的腐蚀;
2) 对水汽有很好阻隔作用的热融性丁基胶与抗老化能力极强的硅酮结构胶一起形成了一个良好的密封和粘接结构体系, 对组件形成了良好的保护;
3) 当温差导致组件内外气压相差较大时, 具有良好弹性性能的硅酮胶能有效降低组件表面上的空气压力, 保证组件的寿命;另一方面有效减小了聚光透镜面板因压力而产生的形变量, 从而确保了CPV组件光学系统的稳定性和光电转换效率。
3.2 工艺流程
由于中空玻璃的工艺技术已经相当成熟, CPV组件的封装基本上可以完全借鉴已经产业化的中空玻璃生产技术, 使封装过程中的各个工艺环节均能得到有效保证, 通过对现有中空玻璃生产资源的整合可以快速建成规模化的CPV组件封装生产线, 从而大大降低组件的封装成本。
CPV组件的中空玻璃封装工艺流程如图5所示, 其主要步骤为:
1) 根据聚光组件的光学技术参数选择尺寸合适的中空铝间隔条, 并填入分子筛做成铝边框;
2) 利用丁基胶涂布机在铝边框上下表面均匀地涂上一层厚度0.25～0.3mm的热熔性丁基胶;
3) 在透镜面板上固定好已涂丁基胶的铝框;
4) 通过合适的对位方式使透镜面板和电路底板精确合片;
5) 利用中空合片机进行层压;
6) 最后用硅酮胶对边缘进行密封与粘接。
4 结语
目前, 成都钟顺科技发展有限公司自主研发产品 (型号ZSUN8030) 已成功利用该项封装技术进行小规模生产, 并且产品已经通过CQC的“金太阳”认证 (证书编号:CQC11024057980) 。
将建筑幕墙中运用广泛的中空玻璃技术运用到CPV组件的封装中, 不仅在技术上能有效地确保CPV组件对封装质量的较高要求, 还能在工艺生产中充分利用中空玻璃生产的现有产业链资源来实现组件封装的规模化, 极大提高了组件的生产效率, 降低了生产成本, 为光伏发电早日平价上网奠定了一定的基础。
摘要：介绍一种利用中空玻璃技术进行聚光光伏 (CPV) 组件封装的新技术, 并就这种封装技术与目前CPV组件常用的铝合金边框封装技术进行比较和分析。分析结果表明:采用中空玻璃封装技术能在确保CPV组件性能和寿命的条件下, 快速实现CPV组件的规模化生产, 从而有效地降低组件成本。
关键词：CPV组件,中空玻璃,封装
参考文献
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聚光光伏 篇4
关键词：碟式聚光器,光伏发电,玻璃镜,快速调整装置
由于自动跟踪太阳的聚光光伏发电系统将数倍的太阳光聚集到太阳电池组件上,使产生同样电能所需要的半导体材料大大减少,相当于用普通材料代替昂贵的半导体材料,因此能够大幅度降低光伏发电成本。通过聚光提高太阳电池组件发电的效益,国外已经有过一些工业化尝试,如美国利用菲涅尔透镜可实现3～7倍的聚光,但由于透射聚光的光强均匀性较差和制造难度大,性价比并不高;德国ZSW公司的V型聚光器,通过平面镜反射实现2倍聚光;美国Falbel的四面体聚光器实现了2.36倍聚光,尽管实现2倍聚光可以少用50%左右的太阳电池组件,但是相对于聚光器所增加的成本,总体的经济效益并不明显。
碟式光伏发电聚光器(图1)采用多块平面反射镜并通过巧妙的结构设计,入射光线经各块平面镜反射后,均匀地照射到对应一侧的太阳电池阵列上,实现数倍聚光功能。从而提高单位面积太阳能电池的发电效率。该聚光器的外形象阳光下翩翩起舞的蝴蝶,聚光倍数可达到2～12倍,平面镜的利用率高达85%以上,特别适合于各种规模光伏发电系统。同时经过设计及控制,可使整个设备随着太阳二维转动,大大提高聚光器的效率。该聚光器易于制造、成本低廉、玻璃利用率高;跟踪控制和驱动机构成本低、精度高;抗风性能好;更适合大规模应用、机构整体美观。
聚光器必须调整每一片平面镜使平行的太阳光照射在平面镜后发射到电池板上(图2)。通常调整平面镜这项工作须在晴天有太阳光情况下进行,所以这项工作非常复杂、劳动强度大,且效率低、精度难以保证!因此设计一套能在全天候情况下均可操作的平面镜调整装置具有非常重要的现实意义。
1 碟式光伏发电聚光器平面镜调整装置设计
根据碟式光伏发电聚光器工作原理,聚光器调平面镜是项复杂且精细的工作,必须使平行的太阳光照射在平面镜后反射到电池板上。根据太阳能电池板与平面镜间的关系,设计聚光器玻璃镜快速调整装置如图3所示,其虚拟模型如图4。该机构由定位板、主杆、三角架、水平调整架、调整螺钉、固定夹等部分所组成。三角架可沿主杆上下移动并由螺钉固定,水平调整架可在三角架水平移动并由螺钉固定,调整螺钉可使3个螺钉紧贴平面镜。
该聚光器玻璃镜调整装置可在没有太阳光的情况下进行操作。首先由工作人员在晴天完成一列平面镜的调试工作,以确定太阳能电池板与平面镜的位置关系,然后将聚光器玻璃镜调整装置的定位板紧贴电池板,调整并用固定夹固定在太阳能聚光器的横杆上。调整三角架的上下位置及水平调整架和调节螺钉以确定螺钉与太阳能电池板的相对位置。以此作为模板,松开固定夹,此时定位板与调整螺钉间的位置关系没有改变。将聚光器玻璃镜调整装置移到下一列需要调整的平面镜处,让定位板紧贴电池板,用固定夹将聚光器玻璃镜调整装置固定在太阳能聚光器上。调整平面镜的调节螺钉使平面镜紧贴聚光器玻璃镜调整装置的调整螺钉,这样就确定了平面镜与电池板的相对位置。一直进行下去,直到所有的平面镜都调整完毕为止。
2 碟式光伏发电聚光器平面镜调整装置制造
为便于搬运尽量减轻玻璃镜调整装置的重量,整个装置采用不锈钢材料:方钢管、圆钢、薄钢板等,移动调整部分采用线切割加工。定位板采用300mm×150mm×2mm钢板,主杆采用38mm×25mm、长度2000mm方钢管,三角架横杆采用38mm×25mm、长度2000mm方钢管,斜杆采用准10mm的圆钢。根据聚光器的大小,水平调整架(图5)可设计8～12个,且长度由中间向两边依次变短。每个调整架上采用3个长200mm的M8调整螺栓。聚光器平面镜调整装置如图6所示(卧地拍摄)。
3 碟式光伏发电聚光器平面镜调整装置误差分析
碟式光伏发电聚光器要求将平行太阳光反射到太阳能电池板,以提高聚光器的效率。因此必须保证平面镜与太阳能电池板的相对准确位置,碟式光伏发电聚光器平面镜调整装置精度直接影响聚光器的玻璃镜的位置精度。聚光器玻璃镜调整装置的误差主要包括:制造加工方面误差和各杆件刚性变形。
装置拥有多个方向调整环节(图3),可对装置产生的误差进行调节。沿X方向长度误差坠l2可通过移动水平调整架补偿,沿Y方向长度误差坠l1和坠l3可调整三角架的上下位置和调节调整螺钉来补偿,偏转角度误差∂α可通过调节调整螺钉来补偿。
该装置的尺寸链如图7所示,其各尺寸间关系为:
由式(2)即可得到反射光线的误差。
4 结论
依据碟式光伏发电聚光器的工作原理,设计了一架聚光器玻璃镜快速调整装置。该装置可在全天候的情况下使用,且装拆快速方便,整个装置为25kg,重量轻,便于搬运。多个关节可灵活调整,便于误差补偿,精度高。经现场使用,该装置可大大提高平面镜调整效率及调整精度。
参考文献
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聚光光伏 篇5
目前我国的太阳能利用率处于较低水平,主要原因是太阳能密度低,照射到地面上的平均光强只有1 kW/m2,并且随着季节和天气因素的变化,更增强了太阳能利用的难度;我国现有的太阳能电池板的发展水平也限制了太阳能的利用率,目前,单晶体硅的太阳能转化率可以达到23%,多晶体硅可以达到16%,而薄膜的只能达到8%。这具有挑战性的难题是这次太阳能定位和跟踪系统设计的出发点。
为了克服太阳能量密度低的劣势,我们采用了带有定位与跟踪功能的太阳能电池板支架,利用电机传动带动电池板的两个自由度的旋转,尽量使每个时刻电池板都能垂直接收太阳能。跟踪功能的实现根本是定位,我们使用分辨率为640×320的CCD图像采集传感器,以至少0.2 s/幅的速度来拍摄参考物的太阳影子长度并与参考物的垂直投影作比较,精确地测量出当前太阳的偏转角度;通过高速的控制芯片,将得到的角度进行采集与处理,得到相应的控制角度与位移量。这样,定位的目的实现了,跟踪的效率自然就会大大提高。使用精度为1/10 000度的伺服电机与高精度涡轮蜗杆传动机构,使太阳能支架能自如的旋转,以最高的效率接受太阳能。
2 支架设计部分
在设计太阳能电池板支架的过程中,不仅要考虑到材料自身重量和惯性的因素,还要考虑到投入应用后,实际的自然条件的因素。大风是不可忽略的一个重要自然现象,在世界各个国家各个城市,全年都会刮起不同风速等级的大风。这就要求支架足够坚固,固定太阳能电池板的轴承足够稳定,足以承受大风所带来的力的作用。
为此,设计中把支架和电池板的连接处设计成如图1所示。即在电池板的距离较长的对应两侧中央安装轴承,带动电池板做上下方向的旋转。这样的设计使“点接触”扩大到“线接触”。又由于太阳能电池板的重量平均分布在中轴的两侧,因此大风对电机的影响会降到最低,在旋转过程中,风也会由于平均作用在了电池板的两侧而减少电池板的形变。
太阳能电池板左右方向的旋转由下面箱体中的伺服电机控制,如图2所示。角钢支架与电动机的连接也采用钢管与轴承的连接方式。钢管横截面与角钢支架水平焊接,钢管的直径与壁厚根据电池板,支架,电机,轴承的总重量而定,以稳定性好为原则。
控制左右方向旋转与上下方向旋转的伺服电机都密封在箱体里,主要考虑到雨雪天气里金属的传动机构不会有损害。
3 供电系统部分
太阳能光伏供电系统的基本工作原理是,在太阳光的照射下,将太阳能电池组件产生的电能通过控制器的控制给蓄电池充电或者在满足负载需求的情况下直接给负载供电,如果日照不足或者在夜间则由蓄电池在控制器的控制下给直流负载供电,对于含有交流负载的光伏系统而言,还需要增加逆变器将直流电转换成交流电。光伏系统的应用具有多种形式,但是其基本原理大同小异。
将太阳能电池与用电器连接,需要考虑的主要问题是:
(1)电压是否相同;
(2)功率是否匹配;
(3)电池的持续供电能力。
解决以上问题,有不同方案可以选择。比如太阳能电池电压问题,可以采用串联电池或者采用逆变电路、稳压电路来解决,功率问题可以采取选择适合电池板、并联电池等技术解决,太阳能电池不足之处在于由于太阳光照的不稳定性,导致工作可靠性较差,想要实现持续不间断输出,一般需要加装蓄电池,并需要与之相配套的充电电路和逆变输出电路。
太阳能供电系统由太阳能电池组件、太阳能控制器、蓄电池(组)组成。如输出电源为交流220 V或110 V,按实际需要还可以配置逆变器。各部分的作用为:
(1)太阳能电池组件:太阳能电池组件是太阳能供电系统中的核心部分,也是太阳能供电系统中价值最高的部分。其作用是将太阳的辐射能量转换为电能,或送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池组件的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。
(2)太阳能控制器:太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄电池起到过充电保护、过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关、时控开关都应当是控制器的可选项。
(3)蓄电池:一般为铅酸电池,小微型系统中,也可用镍氢电池、镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池组件所供出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。
在太阳能供电系统的安装过程中,有如下几个步骤:
(1)安装选址 这是安装太阳能电池板的重要步骤。在本项目中,拟给12号教学楼整体供电,故安装的最好选址是在教学楼楼顶,这样既有利于收集阳光能量,又不会给楼中的空间增加压力。
(2)计算每日耗电量 这个数据必须准确,以确保设计的太阳能发电量足够用于整个教学楼的发电,并且有一定的余量,以便在阴雨天气时能够利用储存在蓄电池里的多余电能。
(3)太阳能板的计算与安装 这一步骤涉及到的不仅是电力电子方面的计算,并且包括物理方面的计算,比如每一个太阳能板的尺寸,放置位置,太阳能板阵列的摆放面积,每一个太阳能电池板之间的尺寸等等,以及这些数据与能接收到太阳能量之间的关系。
(4)控制器的安装 目前,室内系统大部分使用12 V、24 V和48 V的直流太阳能系统。教学楼的用电量较大,太阳能板的总电流计算公式为:
太阳能板的总电流undefined
如果系统超过1 000 W,尽量采用双控制器,以便于检测发电状况和使用维护。因为太阳能板在发电的时候并不是始终处于最大电流和电压,所以在选控制器时可以按照40%～50%的电流来选择,就可以满足需求。
(5)蓄电池的安装 电池连接原则:与系统电压保持一致。
(6)逆变器的安装 逆变器是连接负载和电池的最后一个关键组件,也是最容易的。只需将逆变器的正负极连接到电池的正负极就可以。但逆变器的选择十分重要,分为方波和正弦波逆变器,虽然效果相同,但两者的价格却相差两倍以上。故此处使用正弦波逆变器,除了价格便宜外,正弦波逆变器不仅可以加载所有负载,而且不会对任何电器的使用寿命造成影响。但要确保使用电器功率的总和不能超过逆变器的容量。
4 总结
在本次聚光型光伏太阳能的定位与跟踪系统设计的过程中,遇到了许多大大小小的问题。比如传动系统的组装,既要为机械部分的维护与修理留出空间,又要将其设计的尽量小巧轻便,以便于搬运与维修;控制部分的程序调试;供电系统的实际安装等。
在设计与实现的过程中,我们充分体会到了设计的乐趣与解决问题后带来的巨大成就感。这次项目给我们的知识应用带了很大的提高,同时也教会了我们如何与队员合作最终完成任务。这些不仅在校园里,在将来工作的单位和企业中也是十分有用的经验。
摘要：在资源紧缺的今天,太阳能以它恒定的来源和高强的辐射能量,日渐成为资源利用的首要选择。聚光型光伏发电的基本原理是采用带有菲尼尔透镜的太阳能电池板,利用图像采集传感器,拍摄参照物的太阳影子长度,并以与垂直投影做出的比较测出太阳的偏转角度,通过高速控制芯片,根据对采集信息的分析,控制传动机构调节太阳能电池板的偏转角度,实现对太阳的定位和跟踪,从而实现太阳能的高效采集。
聚光光伏 篇6
2013年8-9月间, 包头市杰华太阳能研究所的科研人员在昆区青年路14街坊3栋4号, 将两块完全相同的195Wp单晶硅光伏组件中的一块以非对称聚光跟踪方式架设于楼房之间的院子里, 另一块架设在二楼南向阳台之处, 以40度当地纬度角倾斜固定架设;每一块组件都通过并网逆变器与电度表与室内市电电网的插座相通, 每天同时向研究所供电。他们将两块电度表的读数按日记录下来, 并分别计算这段时期的发电量与对比值。经一段时间的测试对比, 采用非对称聚光跟踪系统可使晶体硅光伏组件比按纬度角固定架设时提高2.13倍以上的发电量, 从而达到增效降本的目的。
“非对称聚光跟踪光伏系统”能增效降本, 主要得益于四项创新核心技术:
第一, 单电机带动的二维全自动跟踪装置。其特点是:太阳方位角与高度角两个方向的跟踪, 只用一个微电机、一个电子控制器、一套机械减速装置, 结构非常简洁, 其核心技术单台产业化成本约数百元;微电机的输出力矩由于减速而增大至原来力矩的几万倍, 能够确保整机达到抗10级大风的能力;跟踪装置所耗的电量只为该机发电量的0.5%左右;跟踪精度达到方位角±0.5度、高度角±0.8度;工作寿命要求20年以上, 密封严实, 经过连续两年多的跟踪运转, 达到了可基本免维护的程度。
第二, 电动机转动角度的精密控制装置。不采用价格数百元的市用步进电机, 但照样巧妙地实现了电动机的准确步进目的, 成本仅用几十元, 而且经得起野外风沙雨雪、严寒酷暑等各种恶劣气候的考验。这是一个经过5年时间发明成功并最终完善的机电一体化电机控制器。
第三, 非对称聚光装置。聚光器的非对称安装使整机的正面风阻与背面风阻都比对称安装时大为减少, 因而对机架抗风强度的要求可明显降低, 且使整机运转空间缩小, 占地面积也减少, 从三个方面降低了制造成本;被聚光的对象是通用的、高质量的且为价格较低的晶体硅光伏组件, 到处可以买到, 不用自己生产, 而对其质量与价格还可以有所选择, 大大减少了企业的固定资产与流动资金投入, 使企业运行风险大大降低。
第四, 全球可调固定机架。它是一种结构简洁、重心可调、各个方向稳定性极强并方便于全球各地快速架设的可调固定机架, 只需十分钟就可以架好, 且水泥地基占地很小, 施工非常简便。