创新型太阳能追光设备的研究

王青峰

（邵阳学院国际学院 湖南省邵阳市 422000）

1 绪论

1.1 本文研究背景

为了有效保护环境并实现能源可持续发展，能源技术创新的重点必须坚持持续发展战略，追求更洁净、更高效的能源技术，使其最大化减少再生能源和其他自然资源的大量消耗。太阳能技术作为我国新型能源重点发展对象之一，其在我国高新技术领域如航空航天领域已经获得了广泛应用，如宇宙飞船的太阳能自动向光帆板。但我国太阳能自动追光技术应用范围较窄，且目前已有自动向光技术存在转换效率和自身设备功耗的明显矛盾，使太阳能帆板小规模化、大众化成为难题。因此，为实现太阳能产品在我国的高覆盖率，减轻日益严重的能源压力，探索高转化率且低功耗的太阳能产品至关重要。

目前，太阳能发电也存在成本高、转换效率低的问题。这正是光伏技术领域一直致力于解决和突破的问题。国内外现已应用的视日追踪向光系统、光电传感器跟踪系统极大的突破了这一难题——通过自动调整太阳能电池板朝向，最大化吸收太阳能，转化成供使用的电能。这大大的提高了太阳能利用率和光电转化效率，可以称之为光伏界的革命性进展。但是，这两种向光系统存在一定的系统本身的局限性，比较显著的问题便是系统功耗问题，一些大规模的应用中其所需的功耗成本往往就不可忽视，这也使得光伏设备未能大众化的原因。因此，研究一款能够降低功耗，同时提高太阳能吸收效益的系统迫在眉睫。

1.2 太阳能自动追光技术的国内外发展现状

太阳能具有普遍、无害、巨大、长久的优点，它是最清洁的能源之一，在环境污染越来越严重的今天，太阳能是极其宝贵的资源。因此，世界各国都在致力研究太阳能发电技术，并得到了广泛的推广应用。我国也在大力推广光伏发电技术，比如：光伏发电已用于手表、计算机、交通灯、居民用电、航天器供电等各个领域。据彭博6 位分析师的平均预测，全球家庭与商业机构将安装24.8GW 的光伏组件，这相当于约20 座核反应堆的发电量，但与新增27.7GW 的光伏装机量相比下降10%。据彭博新能源财经估计，自1999 年以来年均安装量已增长61%。

1.3 本论文的理论意义

在目前经济的快速发展，大型工业对于能源的需求庞大，例如石油、电力或其他自然资源在不断消耗下，会造成供应不足。在能源市场中，市场经济的主要能源价格变动是直接受能源供需变动关系的因素影响。当不可再生资源竭尽时，就会导致资源价格上涨，这将增加消费者的开销，不利于市场的和谐生态。虽说我国是资源大国一列，但人均量占比低，能源的开发难度大，存在许多技术壁垒。当前，我国正处于能源消耗的高峰期，我国是少数以煤作为主要能源的国家，大量使用煤炭让大部分的城市的颗粒物、硫化物污染人们赖以生存的空气，不利于国民的健康生活。同时中国的农村人口占人均总数的大部分，由于经济条件的有限，其中大部分的能源通过砍伐树木焚烧而得，这将加速农村环境生态的恶化。因此，在当前形式下，发展利用可再生资源是优化能源结构的必经之路。利用好太阳能将能在很大程度上减缓环境污染，大力发展太阳能的利用是十分必要的举措，将极大促进可持续发展的进程。本论文的研究意义就是以绿色环保为创新宗旨，探讨一款高转换效率低功耗的太阳能追光系统。

2 现有自动追光技术分析

2.1 视日运动轨迹追踪技术

2.1.1 理论来源

我们知道，太阳每天东升西落，带来白天黑夜，这说明太阳对与地球来说，有着其运动规律，而这运动规律，带来太阳相对地面的高度角和方位角的变化规律，如图1 所示。采用GPS 定位技术，测得地面与太阳的相对空间参数（经纬度、赤纬角、实时太阳方位角等），并利用球面三角公式求得太阳相对所测地的位置。视日运动轨迹跟踪技术巧妙运用了太阳运行规律，利用天文算法（如图2）得到太阳位置，再通过微控制器调整帆板倾斜角度，实现太阳光的实时跟踪。

图1：太阳高度角和方位角示意图

图2：天文算法示意图

2.1.2 具体实现系统

视日运动轨迹跟踪可分为单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。

单轴跟踪系统（如图3）。

图3：单轴跟踪系统示意图

单轴跟踪系统需要太阳能帆板尽可能地让太阳光直射板面，以最大化吸收太阳光，因此，只有在正午时分才能达到最大的吸收效率。这种单轴构造制作成本较低，能够适用于对追光精度和光电转换效率要求不高的太阳能追光系统。

双轴跟踪系统（如图4）所示。

图4：双轴跟踪系统示意图

双轴跟踪系统相对于单轴跟踪系统增加了一个跟踪转轴，从高度角和方位角两个方面对太阳能电池板进行全方位跟踪，从而获取单位面积上太阳能辐射的最大值。双轴跟踪系统能够满足高精度、高转化效率的追光系统，但制造成本相对较好，技术把控需要更加严谨。

典型系统运作流程图如图5 所示。

图5：典型系统运作流程图

2.1.3 优势与弊端

优势：视日运动追光技术在国内的发展已较为成熟，也是国内应用最多的太阳能追光技术。通过科学计算，微处理器自动调控帆板朝向，能够保证良好的追光精度和光转化效率，节省大量劳动成本。

弊端：无论单轴或双轴追光系统，尽管其有严谨的算法控制，能够带来不错的追光精度，但是随着系统运行时间的推移，必然会造成系统误差的堆积，导致追光精度变差。与此同时，视日追踪系统的本身运作消耗较大，不适合大型而小规模的太阳能转换设备。

2.2 光电传感器跟踪技术

2.2.1 实现方式

光电传感器跟踪太阳光技术在我国太阳能应用领域中属于比较传统的技术，光电传感器跟踪系统有着很好的追光精度和转换效率。太阳方位的检测主要靠光敏元件组成，一般采用光传感器作为光电转换元件，同时利用微处理器处理光传感器的电信号，再根据的光电转换元件输出电压经过信号算法分析和运算，然后输出相应的控制信号到电机驱动，并最后由电机驱动执行帆板朝向的调整，完成追光。

典型系统流程图如图6 所示（四象限硅电池光电传感器光追踪系统）。

图6

2.2.2 优势与弊端

优势：光电传感追踪技术最显著的优势在于其硬件成分大，设计成本较低，且在如晴天或高原光照较强的地区，有不错的太阳能转化效率，且追踪精度高。

弊端：光照是光电传感器作用源泉，因此此种追踪方式对天气要求较高。

3 创新型自动追光帆板理论分析

3.1 理论背景分析

通过对比典型的视日追踪太阳轨迹和光电传感器跟踪两种追踪方式，我们知道，我们追求的是一款能够集转换效率和功耗低且能灵活应对天气的视日追踪方式。为了实现这一目的，本项目在结合两种追踪技术的基础上进行了创新，能够实现较为灵敏、智能、自动应变天气的追光技术。

3.2 具体方案

3.2.1 视日运动轨迹追踪和光电传感器跟踪技术的结合

视日运动轨迹追踪技术最可取的一点就是其对天气没有依赖性，但是它容易在运行过程中堆积误差，导致向日精准度受到影响。而光电传感器追光系统在运行过程中并不会积累机械误差、运算误差等，精准度相对较高，但其对天气的依赖很高。因此，我们可以看到，视日追踪和光电传感器这两种追光方式可以实现互补。那么，如果把它们同时运用在同一个系统设计中会怎么样呢？有以下两种情况：

（1）晴天：利用光敏电阻可以实现对光照强度进行测量，光检测电路电压达到一定值，就视为晴天。在晴天，单独利用光电追踪模式，便能实现较好的追光效果。

（2）阴雨天：同样的光检测电路检测电压低于某一特定值时视为阴天，此时，光电传感器追踪系统无法运作，于是选择视日追踪系统进行追光。但此时，由于是阴天太阳能转换效率低，且由于视日跟踪技术的误差累积局限性，可能无法满足例如交通灯、交通摄像仪等设备的用电需求，此时，我们还是希望能够用到光电传感器追踪技术。于是，本项目创新地在系统设计中加入聚光设备，能够增加系统内部光强，从而实现两种追光模式的同时运行。

双结合系统运行流程图如图7 所示。

图7

3.2.2 聚光设备

聚光设备的主要构造使凸透镜。凸透镜使光学常用的聚光辅助工具，能够实现光景放大和光线收集。在太阳能电池板的上方设置透明轻质玻璃，内部放置凸透镜，能够实现在阴雨天气聚光的效果，同时遮挡风雨，对电池板起到一定的保护作用。设计图如图8 所示。

图8：聚光设备示意图

这种聚光设备应用于光线较弱的阴天会有较明显的效果，在太阳能光伏电池板上增加这样的聚光设备，能够大大提高太阳能的利用率。

3.2.3 机械能反馈设备

自动追光系统一个不得不关注的问题就是其系统运作过程中的自身损耗问题，这也是光伏领域追求的突破口所在。一款优良的光伏设备体现在其光电转换效率以及低功耗上，本系统研究一个机械能反馈设备，能够在向光设备运作过程中，将轴的转动产生的机械能利用发电原理转化为电能反馈到电池板，弥补轴转动所消耗的电能。当然这要求反馈设备不能影响轴的转动。此外，国内早些年光伏发电重点突破了风光互补技术，增加了风力发电外部设备，实现与太阳能电池板的电能互补。充分利用各种可能形式的能量，提高能量转换率，节约功耗成本，就是我们研究的目的所在。综合这些理论基础，本文研究同时利用机械能、风能转化电能的外部设备。

3.2.3.1 设备结构构成

（1）传送带式能量转换反馈装置。利用光伏电池板转轴在转动过程中产生的机械能，带动传送带转动，间接为发电装置提供能量，利用电磁感应原理，将机械能转化为电能，进而存储到电池板进行供能，能够恰到好处地利用转轴产生的机械能，弥补设备运行所需的功耗。

（2）风光互补反馈装置。风光互补技术实质就是光伏发电设备与风能发电设备同时应用在一个发电系统中，进行电能互补。风光互补技术是我国新能源开发、太阳能技术开发领域一个重要技术，现广泛应用于我国果蔬业，畜牧业，水产业。光伏发电中风光互补技术主要适用于较大的用电规模，对于小型、小规模太阳能追光设备，我们也能采用风光互补技术，利用风能转化为电能，从而弥补追光设备运行所消耗的能量。

3.2.3.2 可行性分析

（1）系统实现分析：本文所研究的系统是一个硬件成分较大的单片机应用开发系统。其中硬件内容主要包括双轴太阳能电池板、凸透镜、传送带动力设备、风力发电设备等，除传送带动力设备需要自行设计成能与太阳能电池板转轴共存，不影响其转动的低阻尼态外，其他硬件设备均能在市面上购得。其次，是软件模块。本文是一个单片机开发的研究，所用的系统处理器为单片机，一般为AT89C51 单片机，编程语言可以是汇编语言和C 语言。本文所研究的系统除核心追光系统需要利用单片机进行控制外，其外部其他硬件设备均不受单片机控制，单片机控制程序易设计。

（2）市场分析：本文研究的目的就是设计一款高转换效率、低功耗的反馈式太阳能追光系统，具有大众性、易实现性，其可应用于各种用电规模，应用成本低，市场前景较好。

（3）需要解决的问题：凸透镜对于电池板的最大面积光线聚焦的问题，电池板过热保护问题，转轴与传送带摩擦系数控制问题。

4 结论

4.1 本文总结

（1）为了顺应我国绿色发展战略，追求创新技术、创新理论，通过对现有国内外光伏追光技术的分析和对比，推出本文所研究的包含创新技术的新型太阳能追光设备。

（2）具体介绍并分析当下我国应用较为广泛的太阳能追光系统的实现方式和优缺点。介绍本文所研究的创新型向光系统理论，并进行可行性、待解决问题的分析。

4.2 本文创新点

本文研究的目的就是设计一款高转换效率、低功耗的反馈式太阳能追光系统，侧重点在于追求低功耗以及反馈设备的研究。结合视日追光系统和光电传感器追光系统两种追光技术，在此基础上研究外部促进能量转化，促进电能储备，减校系统整体功耗的设备。创新点之一：凸透镜聚光设备，能够最大化的使太阳能电池板收集太阳能。创新点二：传送带式机械能转化利用设备，能够利用太阳能电池板在转动过程中产生的机械能，通过发电设备转化为电能储存起来。创新点三：风光互补设备，能够使得系统在运行过程中最大化利用各种形式的能量转化为电能存储到太阳能电池板中。