創(chuàng)新型太陽(yáng)能追光設(shè)備的研究

王青峰

（邵陽(yáng)學(xué)院國(guó)際學(xué)院 湖南省邵陽(yáng)市 422000）

1 緒論

1.1 本文研究背景

為了有效保護(hù)環(huán)境并實(shí)現(xiàn)能源可持續(xù)發(fā)展，能源技術(shù)創(chuàng)新的重點(diǎn)必須堅(jiān)持持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，追求更潔凈、更高效的能源技術(shù)，使其最大化減少再生能源和其他自然資源的大量消耗。太陽(yáng)能技術(shù)作為我國(guó)新型能源重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象之一，其在我國(guó)高新技術(shù)領(lǐng)域如航空航天領(lǐng)域已經(jīng)獲得了廣泛應(yīng)用，如宇宙飛船的太陽(yáng)能自動(dòng)向光帆板。但我國(guó)太陽(yáng)能自動(dòng)追光技術(shù)應(yīng)用范圍較窄，且目前已有自動(dòng)向光技術(shù)存在轉(zhuǎn)換效率和自身設(shè)備功耗的明顯矛盾，使太陽(yáng)能帆板小規(guī)?；?、大眾化成為難題。因此，為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能產(chǎn)品在我國(guó)的高覆蓋率，減輕日益嚴(yán)重的能源壓力，探索高轉(zhuǎn)化率且低功耗的太陽(yáng)能產(chǎn)品至關(guān)重要。

目前，太陽(yáng)能發(fā)電也存在成本高、轉(zhuǎn)換效率低的問(wèn)題。這正是光伏技術(shù)領(lǐng)域一直致力于解決和突破的問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外現(xiàn)已應(yīng)用的視日追蹤向光系統(tǒng)、光電傳感器跟蹤系統(tǒng)極大的突破了這一難題——通過(guò)自動(dòng)調(diào)整太陽(yáng)能電池板朝向，最大化吸收太陽(yáng)能，轉(zhuǎn)化成供使用的電能。這大大的提高了太陽(yáng)能利用率和光電轉(zhuǎn)化效率，可以稱之為光伏界的革命性進(jìn)展。但是，這兩種向光系統(tǒng)存在一定的系統(tǒng)本身的局限性，比較顯著的問(wèn)題便是系統(tǒng)功耗問(wèn)題，一些大規(guī)模的應(yīng)用中其所需的功耗成本往往就不可忽視，這也使得光伏設(shè)備未能大眾化的原因。因此，研究一款能夠降低功耗，同時(shí)提高太陽(yáng)能吸收效益的系統(tǒng)迫在眉睫。

1.2 太陽(yáng)能自動(dòng)追光技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

太陽(yáng)能具有普遍、無(wú)害、巨大、長(zhǎng)久的優(yōu)點(diǎn)，它是最清潔的能源之一，在環(huán)境污染越來(lái)越嚴(yán)重的今天，太陽(yáng)能是極其寶貴的資源。因此，世界各國(guó)都在致力研究太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)，并得到了廣泛的推廣應(yīng)用。我國(guó)也在大力推廣光伏發(fā)電技術(shù)，比如：光伏發(fā)電已用于手表、計(jì)算機(jī)、交通燈、居民用電、航天器供電等各個(gè)領(lǐng)域。據(jù)彭博6 位分析師的平均預(yù)測(cè)，全球家庭與商業(yè)機(jī)構(gòu)將安裝24.8GW 的光伏組件，這相當(dāng)于約20 座核反應(yīng)堆的發(fā)電量，但與新增27.7GW 的光伏裝機(jī)量相比下降10%。據(jù)彭博新能源財(cái)經(jīng)估計(jì)，自1999 年以來(lái)年均安裝量已增長(zhǎng)61%。

1.3 本論文的理論意義

在目前經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大型工業(yè)對(duì)于能源的需求龐大，例如石油、電力或其他自然資源在不斷消耗下，會(huì)造成供應(yīng)不足。在能源市場(chǎng)中，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的主要能源價(jià)格變動(dòng)是直接受能源供需變動(dòng)關(guān)系的因素影響。當(dāng)不可再生資源竭盡時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致資源價(jià)格上漲，這將增加消費(fèi)者的開(kāi)銷(xiāo)，不利于市場(chǎng)的和諧生態(tài)。雖說(shuō)我國(guó)是資源大國(guó)一列，但人均量占比低，能源的開(kāi)發(fā)難度大，存在許多技術(shù)壁壘。當(dāng)前，我國(guó)正處于能源消耗的高峰期，我國(guó)是少數(shù)以煤作為主要能源的國(guó)家，大量使用煤炭讓大部分的城市的顆粒物、硫化物污染人們賴以生存的空氣，不利于國(guó)民的健康生活。同時(shí)中國(guó)的農(nóng)村人口占人均總數(shù)的大部分，由于經(jīng)濟(jì)條件的有限，其中大部分的能源通過(guò)砍伐樹(shù)木焚燒而得，這將加速農(nóng)村環(huán)境生態(tài)的惡化。因此，在當(dāng)前形式下，發(fā)展利用可再生資源是優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)的必經(jīng)之路。利用好太陽(yáng)能將能在很大程度上減緩環(huán)境污染，大力發(fā)展太陽(yáng)能的利用是十分必要的舉措，將極大促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的進(jìn)程。本論文的研究意義就是以綠色環(huán)保為創(chuàng)新宗旨，探討一款高轉(zhuǎn)換效率低功耗的太陽(yáng)能追光系統(tǒng)。

2 現(xiàn)有自動(dòng)追光技術(shù)分析

2.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤技術(shù)

2.1.1 理論來(lái)源

我們知道，太陽(yáng)每天東升西落，帶來(lái)白天黑夜，這說(shuō)明太陽(yáng)對(duì)與地球來(lái)說(shuō)，有著其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，而這運(yùn)動(dòng)規(guī)律，帶來(lái)太陽(yáng)相對(duì)地面的高度角和方位角的變化規(guī)律，如圖1 所示。采用GPS 定位技術(shù)，測(cè)得地面與太陽(yáng)的相對(duì)空間參數(shù)（經(jīng)緯度、赤緯角、實(shí)時(shí)太陽(yáng)方位角等），并利用球面三角公式求得太陽(yáng)相對(duì)所測(cè)地的位置。視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤技術(shù)巧妙運(yùn)用了太陽(yáng)運(yùn)行規(guī)律，利用天文算法（如圖2）得到太陽(yáng)位置，再通過(guò)微控制器調(diào)整帆板傾斜角度，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)光的實(shí)時(shí)跟蹤。

圖1：太陽(yáng)高度角和方位角示意圖

圖2：天文算法示意圖

2.1.2 具體實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)

視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤可分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。

單軸跟蹤系統(tǒng)（如圖3）。

圖3：?jiǎn)屋S跟蹤系統(tǒng)示意圖

單軸跟蹤系統(tǒng)需要太陽(yáng)能帆板盡可能地讓太陽(yáng)光直射板面，以最大化吸收太陽(yáng)光，因此，只有在正午時(shí)分才能達(dá)到最大的吸收效率。這種單軸構(gòu)造制作成本較低，能夠適用于對(duì)追光精度和光電轉(zhuǎn)換效率要求不高的太陽(yáng)能追光系統(tǒng)。

雙軸跟蹤系統(tǒng)（如圖4）所示。

圖4：雙軸跟蹤系統(tǒng)示意圖

雙軸跟蹤系統(tǒng)相對(duì)于單軸跟蹤系統(tǒng)增加了一個(gè)跟蹤轉(zhuǎn)軸，從高度角和方位角兩個(gè)方面對(duì)太陽(yáng)能電池板進(jìn)行全方位跟蹤，從而獲取單位面積上太陽(yáng)能輻射的最大值。雙軸跟蹤系統(tǒng)能夠滿足高精度、高轉(zhuǎn)化效率的追光系統(tǒng)，但制造成本相對(duì)較好，技術(shù)把控需要更加嚴(yán)謹(jǐn)。

典型系統(tǒng)運(yùn)作流程圖如圖5 所示。

圖5：典型系統(tǒng)運(yùn)作流程圖

2.1.3 優(yōu)勢(shì)與弊端

優(yōu)勢(shì)：視日運(yùn)動(dòng)追光技術(shù)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展已較為成熟，也是國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的太陽(yáng)能追光技術(shù)。通過(guò)科學(xué)計(jì)算，微處理器自動(dòng)調(diào)控帆板朝向，能夠保證良好的追光精度和光轉(zhuǎn)化效率，節(jié)省大量勞動(dòng)成本。

弊端：無(wú)論單軸或雙軸追光系統(tǒng)，盡管其有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)乃惴刂疲軌驇?lái)不錯(cuò)的追光精度，但是隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的推移，必然會(huì)造成系統(tǒng)誤差的堆積，導(dǎo)致追光精度變差。與此同時(shí)，視日追蹤系統(tǒng)的本身運(yùn)作消耗較大，不適合大型而小規(guī)模的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換設(shè)備。

2.2 光電傳感器跟蹤技術(shù)

2.2.1 實(shí)現(xiàn)方式

光電傳感器跟蹤太陽(yáng)光技術(shù)在我國(guó)太陽(yáng)能應(yīng)用領(lǐng)域中屬于比較傳統(tǒng)的技術(shù)，光電傳感器跟蹤系統(tǒng)有著很好的追光精度和轉(zhuǎn)換效率。太陽(yáng)方位的檢測(cè)主要靠光敏元件組成，一般采用光傳感器作為光電轉(zhuǎn)換元件，同時(shí)利用微處理器處理光傳感器的電信號(hào)，再根據(jù)的光電轉(zhuǎn)換元件輸出電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)算法分析和運(yùn)算，然后輸出相應(yīng)的控制信號(hào)到電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并最后由電機(jī)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行帆板朝向的調(diào)整，完成追光。

典型系統(tǒng)流程圖如圖6 所示（四象限硅電池光電傳感器光追蹤系統(tǒng)）。

圖6

2.2.2 優(yōu)勢(shì)與弊端

優(yōu)勢(shì)：光電傳感追蹤技術(shù)最顯著的優(yōu)勢(shì)在于其硬件成分大，設(shè)計(jì)成本較低，且在如晴天或高原光照較強(qiáng)的地區(qū)，有不錯(cuò)的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率，且追蹤精度高。

弊端：光照是光電傳感器作用源泉，因此此種追蹤方式對(duì)天氣要求較高。

3 創(chuàng)新型自動(dòng)追光帆板理論分析

3.1 理論背景分析

通過(guò)對(duì)比典型的視日追蹤太陽(yáng)軌跡和光電傳感器跟蹤兩種追蹤方式，我們知道，我們追求的是一款能夠集轉(zhuǎn)換效率和功耗低且能靈活應(yīng)對(duì)天氣的視日追蹤方式。為了實(shí)現(xiàn)這一目的，本項(xiàng)目在結(jié)合兩種追蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了創(chuàng)新，能夠?qū)崿F(xiàn)較為靈敏、智能、自動(dòng)應(yīng)變天氣的追光技術(shù)。

3.2 具體方案

3.2.1 視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤和光電傳感器跟蹤技術(shù)的結(jié)合

視日運(yùn)動(dòng)軌跡追蹤技術(shù)最可取的一點(diǎn)就是其對(duì)天氣沒(méi)有依賴性，但是它容易在運(yùn)行過(guò)程中堆積誤差，導(dǎo)致向日精準(zhǔn)度受到影響。而光電傳感器追光系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中并不會(huì)積累機(jī)械誤差、運(yùn)算誤差等，精準(zhǔn)度相對(duì)較高，但其對(duì)天氣的依賴很高。因此，我們可以看到，視日追蹤和光電傳感器這兩種追光方式可以實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)。那么，如果把它們同時(shí)運(yùn)用在同一個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中會(huì)怎么樣呢？有以下兩種情況：

（1）晴天：利用光敏電阻可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光照強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量，光檢測(cè)電路電壓達(dá)到一定值，就視為晴天。在晴天，單獨(dú)利用光電追蹤模式，便能實(shí)現(xiàn)較好的追光效果。

（2）陰雨天：同樣的光檢測(cè)電路檢測(cè)電壓低于某一特定值時(shí)視為陰天，此時(shí)，光電傳感器追蹤系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)作，于是選擇視日追蹤系統(tǒng)進(jìn)行追光。但此時(shí)，由于是陰天太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換效率低，且由于視日跟蹤技術(shù)的誤差累積局限性，可能無(wú)法滿足例如交通燈、交通攝像儀等設(shè)備的用電需求，此時(shí)，我們還是希望能夠用到光電傳感器追蹤技術(shù)。于是，本項(xiàng)目創(chuàng)新地在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入聚光設(shè)備，能夠增加系統(tǒng)內(nèi)部光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)兩種追光模式的同時(shí)運(yùn)行。

雙結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行流程圖如圖7 所示。

圖7

3.2.2 聚光設(shè)備

聚光設(shè)備的主要構(gòu)造使凸透鏡。凸透鏡使光學(xué)常用的聚光輔助工具，能夠?qū)崿F(xiàn)光景放大和光線收集。在太陽(yáng)能電池板的上方設(shè)置透明輕質(zhì)玻璃，內(nèi)部放置凸透鏡，能夠?qū)崿F(xiàn)在陰雨天氣聚光的效果，同時(shí)遮擋風(fēng)雨，對(duì)電池板起到一定的保護(hù)作用。設(shè)計(jì)圖如圖8 所示。

圖8：聚光設(shè)備示意圖

這種聚光設(shè)備應(yīng)用于光線較弱的陰天會(huì)有較明顯的效果，在太陽(yáng)能光伏電池板上增加這樣的聚光設(shè)備，能夠大大提高太陽(yáng)能的利用率。

3.2.3 機(jī)械能反饋設(shè)備

自動(dòng)追光系統(tǒng)一個(gè)不得不關(guān)注的問(wèn)題就是其系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中的自身?yè)p耗問(wèn)題，這也是光伏領(lǐng)域追求的突破口所在。一款優(yōu)良的光伏設(shè)備體現(xiàn)在其光電轉(zhuǎn)換效率以及低功耗上，本系統(tǒng)研究一個(gè)機(jī)械能反饋設(shè)備，能夠在向光設(shè)備運(yùn)作過(guò)程中，將軸的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能利用發(fā)電原理轉(zhuǎn)化為電能反饋到電池板，彌補(bǔ)軸轉(zhuǎn)動(dòng)所消耗的電能。當(dāng)然這要求反饋設(shè)備不能影響軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，國(guó)內(nèi)早些年光伏發(fā)電重點(diǎn)突破了風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)，增加了風(fēng)力發(fā)電外部設(shè)備，實(shí)現(xiàn)與太陽(yáng)能電池板的電能互補(bǔ)。充分利用各種可能形式的能量，提高能量轉(zhuǎn)換率，節(jié)約功耗成本，就是我們研究的目的所在。綜合這些理論基礎(chǔ)，本文研究同時(shí)利用機(jī)械能、風(fēng)能轉(zhuǎn)化電能的外部設(shè)備。

3.2.3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)構(gòu)成

（1）傳送帶式能量轉(zhuǎn)換反饋裝置。利用光伏電池板轉(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能，帶動(dòng)傳送帶轉(zhuǎn)動(dòng)，間接為發(fā)電裝置提供能量，利用電磁感應(yīng)原理，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而存儲(chǔ)到電池板進(jìn)行供能，能夠恰到好處地利用轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生的機(jī)械能，彌補(bǔ)設(shè)備運(yùn)行所需的功耗。

（2）風(fēng)光互補(bǔ)反饋裝置。風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)實(shí)質(zhì)就是光伏發(fā)電設(shè)備與風(fēng)能發(fā)電設(shè)備同時(shí)應(yīng)用在一個(gè)發(fā)電系統(tǒng)中，進(jìn)行電能互補(bǔ)。風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)是我國(guó)新能源開(kāi)發(fā)、太陽(yáng)能技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域一個(gè)重要技術(shù)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于我國(guó)果蔬業(yè)，畜牧業(yè)，水產(chǎn)業(yè)。光伏發(fā)電中風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)主要適用于較大的用電規(guī)模，對(duì)于小型、小規(guī)模太陽(yáng)能追光設(shè)備，我們也能采用風(fēng)光互補(bǔ)技術(shù)，利用風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能，從而彌補(bǔ)追光設(shè)備運(yùn)行所消耗的能量。

3.2.3.2 可行性分析

（1）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析：本文所研究的系統(tǒng)是一個(gè)硬件成分較大的單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。其中硬件內(nèi)容主要包括雙軸太陽(yáng)能電池板、凸透鏡、傳送帶動(dòng)力設(shè)備、風(fēng)力發(fā)電設(shè)備等，除傳送帶動(dòng)力設(shè)備需要自行設(shè)計(jì)成能與太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)軸共存，不影響其轉(zhuǎn)動(dòng)的低阻尼態(tài)外，其他硬件設(shè)備均能在市面上購(gòu)得。其次，是軟件模塊。本文是一個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)的研究，所用的系統(tǒng)處理器為單片機(jī)，一般為AT89C51 單片機(jī)，編程語(yǔ)言可以是匯編語(yǔ)言和C 語(yǔ)言。本文所研究的系統(tǒng)除核心追光系統(tǒng)需要利用單片機(jī)進(jìn)行控制外，其外部其他硬件設(shè)備均不受單片機(jī)控制，單片機(jī)控制程序易設(shè)計(jì)。

（2）市場(chǎng)分析：本文研究的目的就是設(shè)計(jì)一款高轉(zhuǎn)換效率、低功耗的反饋式太陽(yáng)能追光系統(tǒng)，具有大眾性、易實(shí)現(xiàn)性，其可應(yīng)用于各種用電規(guī)模，應(yīng)用成本低，市場(chǎng)前景較好。

（3）需要解決的問(wèn)題：凸透鏡對(duì)于電池板的最大面積光線聚焦的問(wèn)題，電池板過(guò)熱保護(hù)問(wèn)題，轉(zhuǎn)軸與傳送帶摩擦系數(shù)控制問(wèn)題。

4 結(jié)論

4.1 本文總結(jié)

（1）為了順應(yīng)我國(guó)綠色發(fā)展戰(zhàn)略，追求創(chuàng)新技術(shù)、創(chuàng)新理論，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有國(guó)內(nèi)外光伏追光技術(shù)的分析和對(duì)比，推出本文所研究的包含創(chuàng)新技術(shù)的新型太陽(yáng)能追光設(shè)備。

（2）具體介紹并分析當(dāng)下我國(guó)應(yīng)用較為廣泛的太陽(yáng)能追光系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式和優(yōu)缺點(diǎn)。介紹本文所研究的創(chuàng)新型向光系統(tǒng)理論，并進(jìn)行可行性、待解決問(wèn)題的分析。

4.2 本文創(chuàng)新點(diǎn)

本文研究的目的就是設(shè)計(jì)一款高轉(zhuǎn)換效率、低功耗的反饋式太陽(yáng)能追光系統(tǒng)，側(cè)重點(diǎn)在于追求低功耗以及反饋設(shè)備的研究。結(jié)合視日追光系統(tǒng)和光電傳感器追光系統(tǒng)兩種追光技術(shù)，在此基礎(chǔ)上研究外部促進(jìn)能量轉(zhuǎn)化，促進(jìn)電能儲(chǔ)備，減校系統(tǒng)整體功耗的設(shè)備。創(chuàng)新點(diǎn)之一：凸透鏡聚光設(shè)備，能夠最大化的使太陽(yáng)能電池板收集太陽(yáng)能。創(chuàng)新點(diǎn)二：傳送帶式機(jī)械能轉(zhuǎn)化利用設(shè)備，能夠利用太陽(yáng)能電池板在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的機(jī)械能，通過(guò)發(fā)電設(shè)備轉(zhuǎn)化為電能儲(chǔ)存起來(lái)。創(chuàng)新點(diǎn)三：風(fēng)光互補(bǔ)設(shè)備，能夠使得系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中最大化利用各種形式的能量轉(zhuǎn)化為電能存儲(chǔ)到太陽(yáng)能電池板中。