CN103151962A - 一种具有追光传感器的太阳能发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有追光传感器的太阳能发电装置，本发明所述遮光筒固定在底座上的一侧，遮光筒的上端固定有发电装置的凸透镜，遮光筒内的下部设有追光传感器，底座的另一侧上固定有支柱，支柱的上端固定有步进电机和太阳能电池板，中央控制系统和储能系统均固定在底座上。通过实验，本发明与固定式光伏发电装置相比能提高效率约30%。与连续追光模式相比，本发明的发电效率差别不大，但由于采用了离散的追光模式，因而电机动作少，功耗和损耗都相应降低。与安装在太阳能电池板上的追光装置相比，本发明利用一个追光装置实现了一定范围内的太阳能电池板的自动追光，减少了电机的负载，同时降低了成本。

Description

一种具有追光传感器的太阳能发电装置

技术领域

本发明涉及一种具有追光传感器的太阳能发电装置，属于太阳能发电装置技术领域。

背景技术

光伏发电具有性能稳定、设备寿命长、可靠性高、维护量小等一系列优点，但是由于太阳能能量密度低随机性大的特点，光伏发电系统一般投资大、成本高。 

目前传统的太阳能发电系统主要采用固定式安装或单纯利用软件算法实现追光。固定式安装的产品不能根据太阳位置的变化调整太阳能系统的姿态，导致太阳能的采集及利用率低，长远投资成本大。而单纯采用地理位置和时间信息的软件追光发电设备，由于算法中有很多问题难以被考虑，常常产生太阳能电池板运动过多或产生误动作。 

而少数采用传感器追光的产品大多将追光设备安装在太阳能电池板上，即每块太阳能电池板均需安装一个追光设备，因而追光设备的数量多，增加了成本。同时，现有的追光设备大多采用连续式的追光方法（即传感器控制太阳能电池板实时对准太阳，实际这样是没有必要的），耗能大且易造成误动作，也相应的增加了成本。

另外，大多研究者将追光设备设计成双轴跟踪装置，其中一个电机虽然对于太阳方位的定位起到了一定作用，但完全可以通过改进追光系统的安装方式而省略，因此这种双轴跟踪方法成本大，性价比也低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在的问题，即采用传感器追光的产品大多将追光设备安装在太阳能电池板上，即每块太阳能电池板均需安装一个追光设备，因而追光设备的数量多，增加了成本。同时，现有的追光设备大多采用连续式的追光方法，耗能大且易造成误动作，也相应的增加了成本。进而提供一种具有追光传感器的太阳能发电装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有追光传感器的太阳能发电装置，包括太阳能电池板、步进电机、支柱、中央控制系统、底座、储能系统、发电装置的凸透镜、遮光筒和追光传感器，所述遮光筒固定在底座上的一侧，遮光筒的上端固定有发电装置的凸透镜，遮光筒内的下部设有追光传感器，底座的另一侧上固定有支柱，支柱的上端固定有步进电机和太阳能电池板，中央控制系统和储能系统均固定在底座上。

本发明的太阳能发电装置具有以下优点：

1.通过实验，与固定式光伏发电装置相比，本发明能提高效率约30%。

2.与连续追光模式相比，本发明的发电效率差别不大，但由于采用了离散的追光模式，因而电机动作少，功耗和损耗都相应降低。

3.与双轴跟踪方式相比，本发明的发电效率略有降低，但由于减少了一个电机的使用，功耗和成本都相应降低，并且使装置变得简单更易商品化。

4.与安装在太阳能电池板上的追光装置相比，本发明利用一个追光装置实现了一定范围内的太阳能电池板的自动追光，减少了电机的负载，同时降低了成本。

 

附图说明

图1是追光传感器的剖面结构示意图；

图2是追光传感器的俯视结构示意图；

图3是光敏电阻距离的计算示意图；

图4是具有追光传感器的太阳能发电装置的结构示意图；

图5是追光传感器的电路图；

图6是阳光直射时在太阳能电池板上所有光线能够被吸收两次的示意图；

图7是阳光以20度入射角射向太阳能电池板时所有光线能被吸收两次的示意图；

图8是阳光以大于20度的入射角射向太阳能电池板时部分光线只能被吸收一次的示意图；

图9是将太阳的轨迹离散为五个区域（离散天空）的示意图；

图10是阳光与海平面的夹角在15度到45度之间的区域的示意图；

图11是将清晨与黄昏时刻的区域规划到区域1和5统一管理的示意图；

图12是阳光与海平面的夹角在45度到75度之间的区域的示意图；

图13是阳光与海平面的夹角在75度到105度之间的区域的示意图；

图14是理论的追光发电装置模型图。由两个电机（日电机和季电机组成），分别跟踪太阳的东升西落运动和太阳随季节的南北移动。

图15是太阳能电池板水平放置于赤道上时南北方向的最大入射角为23.5度的示意图；

图16是太阳能电池板以与海平面呈23.5度放置在北回归线示意图。

图17是北半球夏季太阳能多于冬季，使aa’适当右旋，使α减小，从而可以使θ1减小，θ2增大示意图，可以更好的利用北半球的夏季太阳能。

图18是北半球北回归线以外，再使aa’适当右旋，使α减小，从而可以使θ1再减小，θ2再增大示意图，从而 以牺牲冬季的低密度能量来更好的利用夏季太阳能。

图19是经过简化后的单电机模型图。

图20是太阳能发电装置控制流程图。

 

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于下述实施例。 

如图4所示，本实施例所涉及的一种具有追光传感器的太阳能发电装置，包括太阳能电池板11、步进电机12、支柱13、中央控制系统14、底座15、储能系统16、发电装置的凸透镜17、遮光筒18和追光传感器19，所述遮光筒18固定在底座15上的一侧，遮光筒18的上端固定有发电装置的凸透镜17，遮光筒18内的下部设有追光传感器19，底座15的另一侧上固定有支柱13，支柱13的上端固定有步进电机12和太阳能电池板11，中央控制系统14和储能系统16均固定在底座15上。

如图1~图3所示，所述追光传感器19包括传感器外壳1、传感器的凸透镜2、光敏电阻3和电路板4，所述光敏电阻3固定在电路板4上，传感器的凸透镜2设置在传感器外壳1的上部壳体上，传感器外壳1的下端与电路板4固定连接。

如图3所示，所述电路板4上设有五排光敏电阻3，从电路板4的一侧到另一侧依次为第一排光敏电阻A、第二排光敏电阻B、第三排光敏电阻C、第四排光敏电阻D和第五排光敏电阻E。

如图3所示，所述传感器的凸透镜2的焦距f=13.2mm，传感器的凸透镜2与第三排光敏电阻C之间设有一条与电路板4垂直的直线F，第一排光敏电阻A与直线F之间的角度φ1=45°，第二排光敏电阻B与直线F之间的角度φ2=15°，第四排光敏电阻D与直线F之间的角度φ3=45°，第五排光敏电阻E与直线F之间的角度φ4=75°；第五排光敏电阻E与直线F之间的距离d1=49.26mm，第四排光敏电阻D与直线F之间的距离d2=13.2mm，第二排光敏电阻B与直线F之间的距离d3=3.5mm，第一排光敏电阻A与直线F之间的距离d4=13.2mm。

太阳能发电用追光传感器（简称传感器）是依靠光敏二极管和光学器件的太阳方位检测装置。当用一个焦距合适的凸透镜将太阳光(近似平行光)在遮光筒内聚焦。根据几何光学成像原理，平行光会在焦平面(遮光筒底部)形成一个有效光斑。此时在焦平面上合适的布置光敏传感器，通过单片机分时地对传感器进行AD采样后，再对采样值进行对比与排序，就能得到此时有效光斑的位置信息。

为了提高单晶硅光伏电池板的光电转换效率，常将其表面制作成“类金字塔”形的绒面结构，利用“类金字塔”绒面结构的陷光效应，可以降低阳光的反射率，增强阳光的吸收率，从而提高光生电流密度以及光伏电池的转换效率。

当阳光直射到理想的绒面单晶硅光伏板上时（此时，阳光的入射角为0度），所有的光线都能被吸收两次（见图6）；随着阳光的入射角不断增大，阳光不断移动，直至阳光的入射角增大到20度时，此时恰好所有的光线都能被吸收两次（见图7）；当入射角大于20度后，一部分阳光将不能被吸收两次，仅被吸收一次后就被反射出单晶硅表面（见图8）。因此，对于理想的绒面单晶硅光伏电池板，当入射角小于等于20度时，单晶硅对于光线的吸收率相差很小。在此，我们不妨将这种现象叫做“绒面单晶硅光伏电池的最大容忍入射角”，简称“最大容忍角”。

考虑到实际的绒面结构可能并不理想，其表面的“类金字塔”结构可能会出现部分缺陷，综合经济因素，实际最大容忍角通常取为15度。

根据实际最大容忍角为15度，可以将天空离散为五个区域（见图9）。在一个固定的海平面上，太阳由该海平面的东边升起，西边落下，在图8中按逆时针运动。在太阳刚升起和快落下的两个15度的过程中，即通常情况下的清晨和黄昏，此时的光照强度极其微弱，没有必要追光，因此将这两个区域忽略掉。

紧接着，随着太阳不断运动，当阳光与海平面的夹角在15度到45度之间时（见图10），该区域以图中的粗实线1为对称轴，那么在此时，只需保证太阳能电池板平面与实线1垂直，就能保证区域1时的阳光入射角总是小于实际最大容忍角15度。如前所述，可将清晨的阳光归到区域1统一管理，即当阳光与海平面的夹角在0度到45度之间时，太阳能电池板始终与光线1垂直。同理可得区域5的情况（见图11）。

同理，随着太阳不断运动，我们很容易得出区域2,3和4的相关情况（见图12和图13）。

为了更清晰地表达此过程，现将此过程列表以示说明（见表1）

表1. 离散天空的过程

综上所述，太阳能电池板一天中只需适时地完成五个动作就能高效低耗的完成追光发电的目的。也就是说，只要传感器能感知这五个区域并做出相应动作就能完成追光发现的任务。这也正是前面光敏电阻分布的原理之一。

这样不仅能极大的提高太阳能电池板的发电效率，更能减小电机损耗，减小电机误动作，从而降低太阳能发电的成本。

追光传感器的控制策略首先需要基于地球模型进行考虑。

当以地球为参考系时，太阳的运动可以分解为两部分：一部分是太阳在一天中的东升西落，另一部分是太阳随着季节而南北运动。从理论分析出发，如果一个追光发电的太阳能电池板要很好的追光，就必须跟踪这两种运动。因此，理论的追光发电模型板至少由两个电机组成，一个做径向转动，一个做轴向转动（见图14）。其中一个电机负责跟踪太阳一天中的东升西落运动，在这里我们称其为“日电机”，另一个电机负责跟踪一年中太阳随季节的南北运动，在这里我们称其为“季电机”。

当一块太阳能电池板水平放置于赤道上（见图15），根据相关的天文知识，太阳一年中南北方向的运动最远只能到达南北回归线。那么在一年中，南北方向最大的入射角仅为23.5度。因此，在一年中，该地域的太阳能电池板南北方向的入射角大部分时间均小于20度的理论最大容忍角，而15度的实际理论最大容忍角的范围内几乎包含了一年中太阳能资源最丰富的绝大部分时间。由以上分析可以得出，水平放置于赤道上的太阳能电池板几乎不需要“季电机”就能在一年中较好的完成追光发电的任务。

当一块处于北回归线上的太阳能电池板，将其以与海平面呈23.5度放置时（见图16），仍可以得到与赤道位置的同样结论——不需要“季电机”。同理可得南回归线的情况。

综合赤道位置和南北回归线位置的情况，可以得出结论：南北回归线范围内的追光发电装置，通过合理的安装，可以不需要“季电机”仍能较好完成追光发电的任务。

当太阳能电池板处于南北回归线之外，由于该地域夏季太阳能资源较丰富，而冬季较少。因此可以适当调节太阳能电池板与海平面的夹角，使其能更好的利用夏季太阳能资源，此时综合经济因素，将“季电机”省略仍不失为一种明智的选择（见图17和图18）。

综合以上的分析，当我们合理布置太阳能电池板与海平面的夹角后，可以发现在追光发电装置中日电机的贡献率极低，而日电机增加了能耗和损耗，不合理。因此我们可以选取一个折中的方案，如图19所示，只用一个日电机来控制太阳能电池板进行追光。改进的装置在能耗、成本、舵机控制方面都优于传统类型的，而且改进的装置相对于传统的，结构更加简单。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种具有追光传感器的太阳能发电装置，其特征在于，包括太阳能电池板（11）、步进电机（12）、支柱（13）、中央控制系统（14）、底座（15）、储能系统（16）、发电装置的凸透镜（17）、遮光筒（18）和追光传感器（19），所述遮光筒（18）固定在底座（15）上的一侧，遮光筒（18）的上端固定有发电装置的凸透镜（17），遮光筒（18）内的下部设有追光传感器（19），底座（15）的另一侧上固定有支柱（13），支柱（13）的上端固定有步进电机（12）和太阳能电池板（11），中央控制系统（14）和储能系统（16）均固定在底座（15）上。

2.根据权利要求1所述的具有追光传感器的太阳能发电装置，其特征在于，所述追光传感器（19）包括传感器外壳（1）、传感器的凸透镜（2）、光敏电阻（3）和电路板（4），所述光敏电阻（3）固定在电路板（4）上，传感器的凸透镜（2）设置在传感器外壳（1）的上部壳体上，传感器外壳（1）的下端与电路板（4）固定连接。

3.根据权利要求2所述的具有追光传感器的太阳能发电装置，其特征在于，所述电路板（4）上设有五排光敏电阻（3），从电路板（4）的一侧到另一侧依次为第一排光敏电阻（A）、第二排光敏电阻（B）、第三排光敏电阻（C）、第四排光敏电阻（D）和第五排光敏电阻（E）。

4.根据权利要求3所述的具有追光传感器的太阳能发电装置，其特征在于，所述传感器的凸透镜（2）的焦距（f）=13.2mm，传感器的凸透镜（2）与第三排光敏电阻（C）之间设有一条与电路板（4）垂直的直线（F），第一排光敏电阻（A）与直线（F）之间的角度φ1=45°，第二排光敏电阻（B）与直线（F）之间的角度φ2=15°，第四排光敏电阻（D）与直线（F）之间的角度φ3=45°，第五排光敏电阻（E）与直线（F）之间的角度φ4=75°；第五排光敏电阻（E）与直线（F）之间的距离d1=49.26mm，第四排光敏电阻（D）与直线（F）之间的距离d2=13.2mm，第二排光敏电阻（B）与直线（F）之间的距离d3=3.5mm，第一排光敏电阻（A）与直线（F）之间的距离d4=13.2mm。

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