CN102916618B

CN102916618B - 跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置

Info

Publication number: CN102916618B
Application number: CN201210389297.6A
Authority: CN
Inventors: 茅靖峰; 顾菊平; 陈华成; 袁媛; 季一润; 王延峰
Original assignee: Nantong University
Current assignee: Nantong University
Priority date: 2011-01-27
Filing date: 2011-01-27
Publication date: 2014-03-12
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: CN102916618A

Abstract

本发明公开了一种跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置，包括光伏电板、小抛物面型反射板、大抛物面型反射板、红外滤光片、水冷型金属导热片、冷水水箱、储热水箱、可旋转伺服机械底盘、迎角调节伺服转轴、伺服控制电路、时钟日历电路和电压检测电路；伺服控制电路通过时钟日历电路给出的时间信息来驱使可旋转伺服机械底盘和迎角调节伺服转轴运动，以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的粗调，通过电压检测电路给出的开路电压信息以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的细调。本发明结构合理，解决了现有聚光型光伏发电装置聚光不均匀、光伏电板局部受热严重和红外线聚集发热的问题，实现粗调、细调结合。

Description

跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置

本申请是申请号：201110029348.X、申请日：2011.01.27、名称：“均匀反射聚焦式太阳能发电装置”的分案申请。

技术领域

本发明涉及太阳能光伏转换和太阳跟踪技术等领域，具体涉及一种聚光型光伏发电装置。

背景技术

新能源是二十一世纪世界经济发展最具决定力的技术领域之一，太阳能发电不产生任何废弃物，无污染，无噪声，对环境无不良影响，是理想的清洁能源。

各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容，光伏发电具有广阔的应用前景。但太阳辐射密度低、光伏电池昂贵等导致光伏发电系统的成本居高不下，聚光光伏发电以廉价的聚光材料替代昂贵的光伏电板，是解决该问题的一种有效方法。

现有的聚光太阳能光伏发电大多直接通过凸透镜或菲涅耳透镜以及反折射镜来聚光，会聚的太阳光不均匀地投射到光伏电板上，很容易使光伏电板局部受热损坏，当聚光比较高时，光伏电板产热非常严重，很大程度上制约着聚光光伏发电产业的发展，目前也有一些新型的聚光技术，但也有一些不足，如专利申请号为200620070287.6的“蝶形反射聚光光伏发电系统”采用碟式聚光可以让会聚的太阳光均匀的射到光伏电板上，但此种方法聚光比受到较大限制。

可产生光伏效应的太阳辐射波长范围在0.4-1.1um，其它波长的太阳辐射照射在太阳能电池板上只转化为热能，使光伏电板的温度升高，降低光电转换效率，缩短了光伏电板的寿命。专利申请号为200610088176.2的“可自散热的太阳能聚集型光伏发电装置”虽然滤去了红外线，但滤光片的形状为抛物面形，加工比较困难，用量大，经济成本较高。

大部分聚光发电装置需要跟踪太阳，而太阳跟踪技术始终是一大难题，现有的光检测跟踪技术主要有位置传感检测器PSD技术、CCD技术，普遍较复杂，易受阴云、灰尘等外界环境的影响，而且成本较高，《2008年中国太阳能光伏发电产业分析及投资咨询报告》指出每个千瓦的聚光发电系统的跟踪成本约为1.6万元。因此，研制基于无传感器策略的太阳光跟踪系统也是一项具有重要理论与工程实用意义的工作。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构合理，结构合理，工作性能好，光电板使用寿命长的跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置。

本发明的技术解决方案是：

一种跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置，其特征是：包括光伏电板、小抛物面型反射板、大抛物面型反射板、红外滤光片、水冷型金属导热片、冷水水箱、储热水箱、可旋转伺服机械底盘、迎角调节伺服转轴、伺服控制电路、时钟日历电路和电压检测电路，大、小两个抛物面型反射板凹面相对安装放置，且两者的法轴线共线、焦点重合；红外滤光片放置在两抛物面型反射板焦点上或焦点的前后附近，且红外滤光片的法轴线与大、小抛物面型反射板的法轴线共线；光伏电板固定在大抛物面型反射板的凹面底部；光伏电板电压输出端通过导线与电压检测电路相连接；大抛物面型反射板安装在可旋转伺服机械底盘上方，并通过支承部件与迎角调节伺服转轴相连接；可旋转伺服机械底盘和迎角调节伺服转轴各自采用一套步进电机驱动，所述两套步进电机均与伺服控制电路相连接；伺服控制电路还与时钟日历电路和电压检测电路相连接；光伏电板背面紧贴安装水冷型金属导热片，后者与冷水水箱和储热水箱相连接；储热水箱进水口处安装温控阀门。

大、小两个抛物面型反射板凹面为反射面，为采用金属抛光或涂抹反光涂层形式；大、小两个抛物面型反射板凹面开口截面均为矩形或均为圆形。

红外滤光片为反射型滤光片，其形状与大、小两个抛物面型反射板凹面开口截面保持一致，且其面积远小于小抛物面型反射板凹面开口截面面积。

伺服控制电路通过时钟日历电路给出的时间信息来驱使可旋转伺服机械底盘和迎角调节伺服转轴运动，以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的粗调，通过电压检测电路给出的开路电压信息以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的细调。

本发明结构合理，并具有下列优点：

（1）大抛物面聚光结合小抛物面均匀反射方式，在提高聚光度的同时，能保证聚集的太阳光均匀地垂直照射到光伏电板上，延长电池的使用寿命；

（2）合理的滤红外线原理，在有效抑制红外线致热效应的同时，减少滤光片的用量，节约成本。

（3）采用太阳轨迹跟踪的日历法结合光伏电板开路电压爬山法的新型无传感器跟踪策略，减少了光检测元件的硬件投资，增强了装置对太阳跟踪的抗光扰能力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

图1中，1太阳入射光线、2迎角调节步进电机、3迎角调节伺服转轴、4水平方向支承机构、5小抛物面型反射板、6红外滤光片、7竖直方向支承机构、8传动齿轮系、9轴承、10可旋转伺服机械底盘、11装置机座、12东西偏角调节步进电机、13导线、14光伏电板、15储热水箱、16温控阀门、17水管、18水冷型金属导热片、19冷水水箱、20大抛物面型反射板、a伺服控制电路、b电压检测电路、c时钟日历电路。

所述的一种跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置由迎角调节步进电机2、迎角调节伺服转轴3、水平方向支承机构4、小抛物面型反射板5、红外滤光片6、竖直方向支承机构7、传动齿轮系8、轴承9、可旋转伺服机械底盘10、装置机座11、东西偏角调节步进电机12、导线13、光伏电板14、储热水箱15、温控阀门16、水管17、水冷型金属导热片18、冷水水箱19、大抛物面型反射板20、伺服控制电路a、电压检测电路b、时钟日历电路c等组成。

结合附图，水平方向支承机构4将小抛物面型反射板5、大抛物面型反射板20、红外滤光片6、光伏电板14、水冷型金属导热片18等部件依次固定，在其质心点位置安装迎角调节伺服转轴3和迎角调节步进电机2，因此，通过迎角调节步进电机2的运动可以使得大抛物面型反射板相对于太阳的迎角产生变化。在迎角调节伺服转轴3的铅垂方向安装竖直方向支承机构7，竖直方向支承机构7的下末端与可旋转伺服机械底盘10相连，可旋转伺服机械底盘10的圆盘心位置通过轴承9与装置机座11套接。机座11固定在地面上。机座11的上表面固定安装东西偏角调节步进电机12，步进电机12伸出的转子轴套接齿轮盘，此齿轮盘与可旋转伺服机械底盘10外缘的齿轮构成传动齿轮系8，因此，通过东西偏角调节步进电机12的运动可以使得大抛物面型反射板相对于太阳的东西方向偏角产生变化。

小抛物面型反射板5和大抛物面型反射板20的凹面相对，且均为反射面，采用金属抛光或涂抹反光涂层的制造工艺实现太阳入射光1的反射；两个反射板凹面开口截面可均为矩形，或均为圆形。红外滤光片6为反射型滤光片，其形状与两个抛物面型反射板凹面开口截面保持一致，其面积远小于小抛物面型反射板5凹面开口截面面积。

太阳入射光1首先被大抛物面型反射板20聚光并反射出去，在到达小抛物面型反射板5的路径中，被红外滤光片6滤去红外光（由于红外滤光片6安装在大小抛物面的焦点附件，因此，较小的红外滤光片6面积即可保证对全部的来自大抛物面型反射板20的聚集光的红外线滤除作用），此后，被聚集的光又通过小抛物面型反射板5的反射作用，变换成一束均匀、平行且无红外波长的高强度光垂直照射到光伏电板14上。

伺服控制电路a内部存储了装置安装地点（纬度）在不同月、日、时条件下的装置太阳光跟踪所需的姿态角度，包括东西方向的偏角和垂直方向的迎光角度。伺服控制电路a先通过时钟日历电路c给出的时间信息（包括月、日、时），依据电路a内部的查表法程序获得此时刻装置为保证跟踪太阳光所需的姿态角度（包括东西方向的偏角和垂直方向的迎光角度），依此角度驱使东西偏角调节步进电机12和迎角调节步进电机2运动，以实现大抛物面型反射板20跟踪太阳光直射位置的粗调，该阶段最终可达到大抛物面型反射板20的姿态基本对准太阳的目的；粗调阶段结束后，伺服控制电路a再通过电压检测电路b给出的光伏电板14开路电压信息，应用电路a内部的爬山法程序（该程序以光伏电板14的开路电压最大为调节目的）微调东西偏角调节步进电机12和迎角调节步进电机2，即可实现大抛物面型反射板20跟踪太阳光直射位置的准确细调，该阶段最终可达到大抛物面型反射板20的姿态准确对准太阳的目的。

伺服控制电路a每间隔5至10分钟进行一次装置跟踪太阳光的粗调和细调动作，以保证本装置跟踪太阳的准确性，并节省装置为跟踪太阳光而产生的能量消耗。

光伏电板14产生的热量，被水冷型金属导热片18吸收，当金属导热片内的水温达到一定的温度，被温度传感器检测到时，温控阀门16自动打开，热水流入储热水箱15中，供生活和生产使用。同时，冷水通过冷却水进水水管17再次流入到金属导热片内。当金属导热片内的水温回落到一定的温度，被温度传感器检测到时，温控阀门16自动关闭，水流停止，达到对光伏电板14的冷却作用。

Claims

1. 一种跟踪聚焦式粗调、细调结合的太阳能发电装置，其特征是：包括小抛物面型反射板、大抛物面型反射板，大、小两个抛物面型反射板凹面相对安装放置，且两者的法轴线共线、焦点重合；红外滤光片放置在两抛物面型反射板焦点上或焦点的前后附近，且红外滤光片的法轴线与大、小抛物面型反射板的法轴线共线；光伏电板固定在大抛物面型反射板的凹面底部；光伏电板电压输出端通过导线与电压检测电路相连接；大抛物面型反射板安装在可旋转伺服机械底盘上方，并通过支承部件与迎角调节伺服转轴相连接；可旋转伺服机械底盘和迎角调节伺服转轴各自采用一套步进电机驱动，所述两套步进电机均与伺服控制电路相连接；伺服控制电路还与时钟日历电路和电压检测电路相连接；光伏电板背面紧贴安装水冷型金属导热片，后者与冷水水箱和储热水箱相连接；储热水箱进水口处安装温控阀门；伺服控制电路通过时钟日历电路给出的时间信息来驱使可旋转伺服机械底盘和迎角调节伺服转轴运动，以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的粗调，通过电压检测电路给出的开路电压信息以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的细调。