提高太陽能電池板發(fā)電效率方法綜述

李建濤

【摘 要】太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，然而它也存在缺點，能量密度低，不易收集，不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化等，由此對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。其中采用自動追蹤設(shè)備能有效提高太陽能電池板發(fā)電效率，本文從追蹤方式介紹了幾種方法，并分析了其優(yōu)缺點。

【關(guān)鍵詞】自動追蹤；太陽能；效率

1.引言

太陽能作為一種清潔無污染的能源，發(fā)展前景非常廣闊，由于其能量密度低，不易收集，不穩(wěn)定，隨季節(jié)氣候和天氣晝夜變化而變化等，所以太陽能的利用有著間歇性、光照方向和強度隨時間不斷變化的問題，由此對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前很多太陽能電池板陣列基本上都是固定的，無法保證太陽光的垂直照射，不能充分利用太陽能資源，使其發(fā)電效率低下。據(jù)實驗得知，在太陽能光發(fā)電中，相同條件下，采用自動追蹤發(fā)電設(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)備的發(fā)電量提高35%，因此在太陽能利用中，有必要進(jìn)行太陽追蹤。

2.不同自動追蹤方式

目前，各種類型的太陽能跟蹤器裝置，從簡單到復(fù)雜，主要分為兩大類，即機械系統(tǒng)和電控系統(tǒng)，機械系統(tǒng)一般又可分為壓差式和控放式，而電控系統(tǒng)一般可分為光電式和視日運動軌跡式[1]。本文對以往常見的跟蹤系統(tǒng)作簡要介紹。

（1）壓差式太陽能跟蹤器

壓差式跟蹤器的原理是：當(dāng)入射太陽光發(fā)生偏斜時，密閉容器的兩側(cè)受光面積不同，會產(chǎn)生壓力差，在壓力的作用下，使裝跟蹤器重新對準(zhǔn)太陽。根據(jù)密閉容器內(nèi)所裝介質(zhì)的不同，可分為重力差式，氣壓差式和液壓式。該機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，制作費用低，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。

氣壓差式跟蹤裝置的采光板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動調(diào)節(jié)。為了取得太陽的偏移信號，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時角的跟蹤傳感器當(dāng)太陽偏移時，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓差達(dá)到一定的數(shù)值時，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號，用壓力為0.1MPa的自來水作為跟蹤動力（若無自來水，可裝一只容積為2kg的壓力水箱）帶動采光板跟蹤太陽。當(dāng)采光板對準(zhǔn)太陽時，管內(nèi)壓力平衡，壓差執(zhí)行器又發(fā)出停止跟蹤信號。這種跟蹤器的跟蹤靈敏度高，每天當(dāng)太陽剛升起3-5分鐘后，采光板即跟蹤對準(zhǔn)太陽。

與此相類似的太陽跟蹤裝置還有重力差式跟蹤器和液壓式跟蹤器。重力差式跟蹤器是1979年美國公布的一項專利。這種太陽跟蹤器在夜間能自動返回原來的位置。這種跟蹤器在實際中應(yīng)用范圍很廣，其主要的優(yōu)點是：結(jié)構(gòu)比較簡單，制作費用低。缺點是剛度低，沒有足夠的工作空間，而且一般只用于單軸跟蹤，不能完成自動對太陽往返于南北回歸線之間的運動的跟蹤，只能每隔一段時間，重新對準(zhǔn)陽光，因此精度比較低。

（2）控放式太陽跟蹤器

控放式太陽能跟蹤器在[2]太陽能接收器的西側(cè)放置一偏重，作為太陽光接收器向西的轉(zhuǎn)動力，并利用控放式自動跟隨裝置對此動力的釋放加以控制，慢慢釋放此轉(zhuǎn)動力，使太陽光接收器向西偏轉(zhuǎn)運動。該機構(gòu)成本低廉，純機械控制，不需電子控制部分及外接電源。但是該機構(gòu)不能自動復(fù)位，不能滿足晝夜更替之后的跟蹤需求，除非另外加復(fù)位機構(gòu)。

控放式跟蹤器能對太陽進(jìn)行單軸跟蹤。它由配重塊8、彈簧1、杠桿2、制動裝置6、電磁3組成，如圖1所示。

控放式跟蹤器的工作原理是：由于在集熱裝置7的西側(cè)裝有配重塊8，在重力的作用下，集熱裝置便會繞軸4自東向西轉(zhuǎn)動。重力的控放由彈簧1通過制動裝置6和杠桿2來實現(xiàn)。彈簧l則由電磁鐵3控制。電磁鐵3的動力又由硅太陽能電池板供給。電池裝在集熱裝置的上方，前面設(shè)有遮光板，當(dāng)集熱裝置對準(zhǔn)太陽時恰好遮住陽光，使太陽能電池處于陰影區(qū)。一旦太陽西移，遮光板的陰影隨之移動，太陽能電池便受到陽光照射，輸出一定數(shù)值的電流，從而發(fā)出偏移訊號。訊號經(jīng)晶體管放大，使高靈敏的繼電器動作，并通過執(zhí)行繼電器控制電磁鐵吸合，于是制動裝置松開，集熱裝置向西旋轉(zhuǎn)，直至對準(zhǔn)陽光。第二天，只要將集熱裝置用人工轉(zhuǎn)至向東的位置，便可開始新的跟蹤?？胤攀礁櫰鬟m合于聚光型的采裝置，如聚光型熱水器、太陽灶等。

（3） 視日運動軌跡跟蹤

視日運動軌跡跟蹤，即計算機先根據(jù)太陽運行規(guī)律計算出一天內(nèi)某時刻太陽的位置角度，然后運行控制程序使跟蹤裝置對準(zhǔn)太陽完成跟蹤。視日運動軌跡跟蹤系統(tǒng)可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種。

1）極軸式全跟蹤

極軸式全跟蹤原理如圖2所示：聚光鏡的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱為極軸；另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時反射鏡面繞極軸運轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽的視日運動；反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動是為了適應(yīng)赤緯角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。這種跟蹤方式步并不復(fù)雜.但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計比較困難。

2） 高度角—方位角式全跟蹤

高度角一方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖3所示。集熱器的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時集熱器根據(jù)太陽的視日運動繞方位軸轉(zhuǎn)動改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運動改變集熱器的傾斜角，從而使反射鏡而的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點是跟蹤精度高，而且集熱器裝置的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計比較容易。

（4） 光電式太陽跟蹤器

光敏硅光電管等作為一種利用光作用使半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)率顯著變化的光敏傳感器[3]，常見的光電器件有光電池、光敏二極管和光敏三極管。目前國內(nèi)常用的光電跟蹤有重力式、電磁式和電動式，這些光電跟蹤裝置都使用光敏傳感器。通常在這些裝置中，光電管的安裝靠近遮光板，調(diào)整遮光板的位置使遮光板對準(zhǔn)太陽。當(dāng)太陽西移時遮光板的陰影偏移，光電管因受到陽光直射輸出一定值的微電流，作為偏差信號，經(jīng)放大電路放大，由單片機接收信號，并發(fā)出脈沖信號來控制步進(jìn)電機的動作，達(dá)到自動追蹤太陽的目的。

3.存在問題及應(yīng)對措施

綜合前面兩種追蹤方式，其控制精度低，第二天不能自動返回初始位置，自動化程度不夠；采用方位角和高度角追蹤時，不論雨天陰天全部都需要追蹤，自耗能增加，沒有充分提升絕對的發(fā)電量；在采用光電跟蹤時，探測頭的思路決定成敗。

筆者給出一種光電自動跟蹤系統(tǒng)檢測頭方案，光傳感器采用3 支光敏電阻，分別采集水平和垂直方向的光強度信號。由光敏電阻傳感器將水平（方位角） 和垂直（傾斜角）方向的光強度信號送入單片機，經(jīng)A/ D 轉(zhuǎn)換后，進(jìn)行比較處理，當(dāng)其3 個數(shù)值相同時說明太陽光與光伏電池陣列平面垂直，單片機不發(fā)出控制信號，電機不轉(zhuǎn)，保持太陽能電池板的偏轉(zhuǎn)角度；若其3 個數(shù)值不同，單片機將進(jìn)一步判斷是方位角還是傾斜角出現(xiàn)偏差，從而發(fā)出相應(yīng)驅(qū)動控制信號驅(qū)動芯片工作，控制電機轉(zhuǎn)動，再通過傳動機構(gòu)和減速機構(gòu)進(jìn)行運動的傳遞和扭矩的轉(zhuǎn)換，從而帶動太陽能電池板轉(zhuǎn)動，以消除角度偏差，重新使太陽光與太陽能電池板垂直，這樣周而復(fù)始的工作，實現(xiàn)實時跟蹤的目的。為了節(jié)電，當(dāng)程序查詢出光強達(dá)到一定值時系統(tǒng)才開始跟蹤，低于閥值時即停止跟蹤，消除了振蕩現(xiàn)象；在多云或陰天要控制電機間歇工作，而在夜間則自動關(guān)閉電源，達(dá)到節(jié)電的目的。

4.結(jié)束語

為了充分利用太陽能資源，前人提出了若干種追蹤方法，綜合現(xiàn)在工業(yè)發(fā)展水平，可以預(yù)見開發(fā)成本低，精度高的全自動追蹤系統(tǒng)是將來的重點研究方向。

參考文獻(xiàn)：

[1]章之華.步進(jìn)式太陽自動跟蹤裝置.能源研究與應(yīng)用，1995，4（5）：18-19.

[2]韋寧，聞漢忠，唐樸.控放式自動跟蹤系統(tǒng)的研制.江蘇鹽城新能源研究所.

[3]徐文燦，袁俊，嚴(yán)偉等.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的探索與實驗.物理實驗，2000，23.