CN101686024B

CN101686024B - 球状太阳能采光系统

Info

Publication number: CN101686024B
Application number: CN2008101414920A
Authority: CN
Inventors: 李保谦; 宋中界; 连萌; 王威立; 牛振华
Original assignee: Henan Agricultural University
Current assignee: Henan Agricultural University
Priority date: 2008-09-28
Filing date: 2008-09-28
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2028-09-28
Also published as: CN101686024A

Abstract

本发明公开了一种球状太阳能采光系统，它包括至少一个太阳能电池板，太阳能电池板与逆变器相连接，太阳能电池板均为球状太阳能电池板，各个球状太阳能电池板之间串联连接形成球状太阳能电池组。本发明由球状太阳能板、充电控制器、蓄电池组、逆变器交流输出等构成，是一个提高太阳能发电转化率的装置。它吸取了现有太阳能板的优点，克服了斜面太阳能板、一面坡太阳能板顾虑角度问题和采光固定性缺点。该太阳能采光系统使用球状太阳能电池板，虽然没有使用太阳角度跟踪装置，但其球状结构可以确保在有阳光的情况下，任意时刻总有一半球体处于阳光的照射之下，这样就可以保证太阳能吸收的稳定性。

Description

球状太阳能采光系统

技术领域

本发明涉及一种太阳能采光系统，尤其是涉及一种发电器采用球形的太阳能采光系统。

背景技术

作为21世纪最有潜力的能源，太阳能产业的发展潜力巨大。太阳能产业是新兴的朝阳行业，再加上良好的政策环境、行业本身的特性，使得太阳能电池产业具有较高的投资价值和发展潜力。太阳能电池板是最近几年国内研究的热点，从资料分析，大众化的应用从外形上主要分为两大类：斜面太阳能板、一面坡太阳能电池板和拱形、屋脊状太阳能电池板，本设计是基于目前太阳能电池板转化率低、占用空间巨大等基础上提出来的。国外的太阳能电池的研究主要有美国和日本。

在这一领域国外从事研究开发的单位有美国Brunton公司生产的BruntonSolaris^TM12折叠式薄膜太阳能电池，其特点是：轻便、耐久、可折叠，它折叠后的尺寸仅仅为普通CD盒的大小，而且折叠后防尘防水，适合小型电子设备的供电，如：卫星电话、数码相机、摄像机等等；该公司生产的SolarFlats^TM5平板式太阳能电池板安装简便，无需维护、防水、采用坚韧的ABS塑料外框、蓝色LED指示灯、倒流保护、集成过载保护，适合于低流电池充电，如：RV、拖拉机、电动门、汽车、游艇、全地形越野车、野生动物自动投喂器、电瓶车内的电池；Brunton公司生产的卷式太阳能电池板：适合卫星电话和数码相机、摄像机的充电，非晶质太阳能电池技术提供了高效低重量的特性，倒流保护，

聚合物结构提供了超强耐用性，防水，防紫外线，可同时连接多个设备，存储方便、携带简便。

日本本田推出薄膜型太阳能电池：特点：安全、转换效率实验数据已达20％，实际应用稳定转换率为8.5％，可折叠，方便连接、轻巧、抗热性能好、不易破损、20年保证输出功率在80％。应用领域：野外机动能源供应，异形表面发电系统。

国内的黑龙江兴安新能源有限公司折叠式太阳能电池板，组成包括：带有外框的电池板，电池板与电池板之间用铰链联接，电池板与玻璃固接在一起，镶在外框中。主要用于外出没有电源时供电或野外生存、部队、战争、前线等。

宝鸡市华特电气有限公司生产的手提式太阳能供电设备，要特点：手提式结构，携带方便、插头式输入输出，无需安装调试、充放电全自动保护、输出过载保护、全密封免维护蓄电池、体积小，重量轻，主适用人员：经常移动的野外工作人员。

深圳市拓日新能源科技股份有限公司生产的公文包式太阳能电池，船、大篷车、家用发电机、卡车的理想充电器，超薄文件夹设计，可随意放在车内座位下，把手设计可随意移动。

上述太阳能采光系统主要采用平面、斜面或屋脊式电池板，这种结构电池板往往固定角度无法改变，由于一天的太阳照射角度时刻变化，所以这种电池板太阳能的使用效率很低。有些太阳能采光系统装有太阳角度跟踪装置，这种装置虽然可以自动调整电池板的角度以提高太阳能使用效率，但该装置较为复杂，成本较高不适于一般场合的使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种太阳能电池板转化率高、占用空间小的球状太阳能采光系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明包括至少一个太阳能电池板，太阳能电池板与逆变器相连接，上述的太阳能电池板均为球状太阳能电池板，各个球状太阳能电池板之间串联连接形成球状太阳能电池组。

上述的球状太阳能电池板由中心为塑料球体，及覆盖在塑料球体表面的电池板构成。

上述的球状太阳能电池板为半径相同的球体，且在球状太阳能电池板的下方设有球杆，球杆与底板相连接。

上述的球状太阳能电池板依次通过充电控制器和蓄电池组与逆变器相连接。

采用上述技术方案的本发明，由球状太阳能板、充电控制器、蓄电池组、逆变器交流输出等构成，是一个提高太阳能发电转化率的装置。它吸取了现有太阳能板的优点，克服了斜面太阳能板、一面坡太阳能板顾虑角度问题和采光固定性缺点；拱形及屋脊状太阳板只能充分利用两侧，而对于两顶端却全损失的缺点。该太阳能采光系统使用球状太阳能电池板，虽然没有使用太阳角度跟踪装置，但其球状结构可以确保在有阳光的情况下，任意时刻总有一半球体处于阳光的照射之下，这样就可以保证太阳能吸收的稳定性。各球状电池板采用空间方式排列，所有球体不在同一平面上，这是为了避免球体之间的干扰、遮挡，以达到太阳能吸收最优。在本发明中由于发电器采用球形，在一天的不同时间都可以充分地接收阳光的直射，都能捕捉到阳光，另外，由于这套设施的使用和拆卸都比较方便，还可以给暂时性断电的电器提供紧急帮助。如果有医院因为天灾停电，也可以拿太阳能板应急发电。因此大大提高了发电效率，降低分散性、不稳定性、效率低等缺点，使得太阳能这一个普遍、无害、巨大、长久的能源更好的为人们服务。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明计算阴影的示意图；

图3为本发明计算球及杆高度的示意图；

图4为本发明太阳能板球状俯视平面图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，本实施例包括七个球状太阳能电池板5，七个球状太阳能电池板之间串联连接形成球状太阳能电池组1。七个球状太阳能电池板5都放置在一个3×2米的底板上，且在底板上，七个球状太阳能电池板5按经度分三排摆放，中间三个太阳能电池板5，两侧各两个太阳能电池板5。球状太阳能电池组1输出的电能经正、负两个端子接入到逆变器4中，在逆变器4中经过直流到交流DC/AC的转换后，最终输出交流电供其他用电设备使用。上述的球状太阳能电池板5由中心为塑料球体，和覆盖在塑料球体表面的电池板构成，另外球状太阳能电池板为半径相同的球体，且在球状太阳能电池板的下方设有球杆6，球杆6采用扁形杆来支撑整个球体，并通过球杆将球状太阳能电池板5与底板相连接。

在本实施例中，太阳能电池板为球状太阳能电池板，即：太阳能发电器采用球形，这样，在一天的不同时间都可以充分地接收阳光的直射，无论视角是从日出到日落的任何一个角度，只要满足球与球之间不能形成阴影，从而都能保证尽最大的接受光源的球表面体捕捉到阳光。同时，为了保证在光照时段内，球体一半表面积总处于太阳照射下，需要在设计中将各个球体从平面上和垂直方向上都不在一个平面上，还要考虑太阳高度角等诸多因素。

如图4所示，在本实施例中，采用一个3×2米的支撑板作为底板，上面有规律的分布七个半径为0.5m的球状太阳能板5，且按经度三排摆放，其中中间三个，两侧各两个。这样七个球状太阳能电池板5的表面积为43.96m²，从而理论推算这种球体发电系统在一天的日出到日落时间里接收阳光照射的面积永远是球体总和的一半，即为21.98m²。比较之下，由于七个球状太阳能板5的直射平面呈六边形，若采用六边形平板电池板接收阳光的照射面积为10.5m²，从而从直射的面积上就提高了大约109.3％，况且传统式的电池板还要考虑摆放角度问题，即使利用自动跟踪太阳的技术，也会增大成本，所以这种系统比传统发电的系统优点就显示出来了。另外，还需要考虑球体与球体之间的横向与纵向间距，以使从南方位看整体的球状太阳能电池组，其顶部形成的曲面为凸起的抛物面。

正午太阳高度角公式为：h＝90°-△，其中△是指当地纬度，即当地太阳直射点的纬度。列举郑州--广州两个城市为两点分析问题，其两个点纬度范围是N34°48′--N23°1′。冬至时，太阳直射角纬度是-23°26′；夏至时，太阳直射角是+23°26′，即郑州夏至时的太阳高度角纬度h＝90°-(34⁰48′-23⁰26′)＝78⁰38′，广州夏至时的太阳高度角纬度h＝90⁰-(23°1′-23⁰26′)＝89⁰35′；郑州冬至时的太阳高度角h＝90⁰-[34⁰48′-(-23⁰26′)＝31°46′。广州冬至时的太阳高度角h＝90°-[23°1′-(-23°26′)＝43°33′。假定：在纬度方向(W—E)布局为3列，其中中间排纵向布局从N—S的间距依次为3m、2m、1m，两侧的列均为两球，其间距为1m，其与中间列在纬度上是相互交错排列的。

如图2所示，郑州，中间一列：按冬至日的高度角算，靠太阳一球的阴影最长长度为X＝1m×Ctg31°46＝1.6m，由于间距是1.5米，所以计算靠北方的球杆高度至少为y＝(1.6-1.5)×tg31°46′＝0.062m<2m；广州靠太阳一球的阴影长度为X＝1m×Ctg43°33′＝1.088m，计算靠N方的球及球杆高度至少为y＝(1.6-1.5)×tg43°33′＝0.095m<2m。又当中间列中心球及球杆为2m，按冬至日的高度角算，阴影最长长度为X＝2m×Ctg31°46＝3.2m，由于间距是1.5米，所以计算最北方的球杆高度至少为y＝(3.2-1.5)×tg31°46′＝1.053m<3m。

计算两侧球及球杆6的高度：按冬至日的高度角算，郑州靠太阳一球及球杆1.5m的阴影最长长度为X＝1.5m×Ctg31°46＝2.4m，由于南北间距是1米，所以计算靠北方的球杆高度至少为y＝(2.4-1)×tg31°46′＝0.87m<1.5m；广州靠太阳一球的阴影长度为X＝1.5m×Ctg43°33′＝1.632m，由于南北间距是1米，计算靠N方的球杆高度至少为y＝(1.632-1)×tg43°33′＝0.665m<1.5m。所以通过以上计算可知：N—S方向上中间列的间距设为1.5m，球杆高度依次是1m、2m、3m，两侧的间距设为1m，球杆6的高度均为1.5m是满足要求的。

如图3所示，在W—E方向上，太阳高度角的计算公式为：

其中，h是指太阳高度，f表示太阳纬度，表示当地的地理纬度，t表示地方时，即时角。

当日出日落时：时角t＝90°，所以此时即，夏至时，Sinh＝Sin(34°48～23°1′)·Sin23°27′＝0.2386～0.2368，太阳高度h从郑州到广州为13.81°～13.71°；冬至时，Sinh＝Sin(34°48～23°1′)·Sin(-23°27′)＝-0.2269～-0.1579，太阳高度h从郑州到广州为-13.12°～-9.50°。所以，最东面的高1.5米的杆在日出时的最长影子长为：

X＝Ctg(13.81°～13.71°)≈(4.068～4.099)×1.5m≈6.15m，

即y＝5.15/Ctg13.81°＝1.27m<最中间杆高2m，所以杆间东西方向设置间距为1米。又有板东西宽2米，X＝Ctg(13.81°～13.71°)≈4.1×1.5m＝6.15m，y＝4.15/Ctg13.81°＝1.01m<1.5m，所以从东西两侧四球杆长取整均为1.5m高完全满足被向太阳的一球不受前球阴影的影响。

上述图2、图3综合证明了：在保证球杆6的高度能够不使球状太阳能电池板之间产生阴影的情况下，采用球状的太阳能电池板5可以提高直射面积，从而在占用空间面积较小的情况下，提高太阳能电池板5的转化率。

实施例2

如图1所示，本实施例与实施例1不同的是，在本实施例中，七个球状太阳能电池板5串联连接形成球状太阳能电池组1后，先与充电控制器2相连接，充电控制器2再与蓄电池组3相连接，蓄电池组3与逆变器4相连接。

由于太阳能电池是一个对光有响应，并能将光能转换成电力的器件。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成P—N结。当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在P—N结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。

在经过太阳能电池板将光能转化成电能后，直接连上充电控制器2，控制整个系统的工作状态，并对蓄电池3起到过充电保护、过放电保护的作用，实际上是一种既具稳压功能又具管理蓄电池之放电功能的开关控制电源。然后再连接一个深循环蓄电池组3，起到蓄电的作用，即：当太阳能电池板不工作时协助太阳能电池板向外供电，相当于一个大电容，吸收电路中的过电压，保护其它电子元件。最后连接逆变器4交流输出等构成，逆变器4又称逆变电源，是一种电源转换装置，可将12V或24V的直流电转换成240V、50Hz交流电或其它类型的交流电。它输出的交流电可用于各类设备，最大限度地满足移动供电场所或无电地区用户对交流电源的需要。

其他技术方案与实施例1相同。

实施例3

本实施例采用六个球状太阳能电池板，六个球状太阳能电池板之间串联连接形成球状太阳能电池组。六个球状太阳能电池板同样都放置在一个3×2米的底板上，且在底板上，六个球状太阳能电池板按经度两排、纬度三列摆放。球状太阳能电池组输出的电能经正、负两个端子接入到逆变器中，在逆变器中经过直流到交流DC/AC的转换后，最终输出交流电供其他用电设备使用。上述的球状太阳能电池板由中心为塑料球体，和覆盖在塑料球体表面的电池板构成，另外球状太阳能电池板为半径相同的球体，且在球状太阳能电池板的下方设有球杆，球杆采用扁形杆来支撑整个球体，并通过球杆将球状太阳能电池板与底板相连接。

在本实施例中，六个球状太阳能电池板的半径均为0.5m，其在3×2米的底板上等间距摆放，这样六个球状太阳能电池板的表面积为18.84m²，从而理论推算这种球体发电系统在一天的日出到日落时间里接收阳光照射的面积永远是球体总和的一半，即为9.42m²。比较之下，由于六个球状太阳能板的直射平面即为3×2米的矩形板，若采用3×2米矩形板的平板电池板接收阳光的照射面积为6m²，从而从直射的面积上就提高了的57％，从而说明：在保证球杆高度能够不使球状太阳能电池板之间产生阴影的情况下，采用球状的太阳能电池板可以提高直射面积，从而在占用空间面积较小的情况下，提高太阳能电池板的转化率。

Claims

1.一种球状太阳能采光系统，它包括至少一个太阳能电池板，太阳能电池板与逆变器相连接，其特征在于：所述的太阳能电池板均为半径相同的球状太阳能电池板，各个球状太阳能电池板之间串联连接形成球状太阳能电池组；且在球状太阳能电池板的下方设有扁形球杆，扁形球杆与底板相连接；在所述的底板上分布七个球状太阳能电池板，且按经度三排摆放，其中中间三个，两侧各两个。

2.根据权利要求1所述的球状太阳能采光系统，其特征在于：所述的球状太阳能电池板由中心的塑料球体，及覆盖在塑料球体表面的电池板构成。

3.根据权利要求1所述的球状太阳能采光系统，其特征在于：所述的球状太阳能电池板依次通过充电控制器和蓄电池组与逆变器相连接。