CN104601096A - 一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，该装置由两块太阳能电池板背对背式构成的发电部分、均匀聚光反射镜构成的聚光部分以及可升降支撑架构成的跟踪部分组成；其中发电部分采用背对背式的结构减少了占用面积，间接增大了光伏发电容量；聚光部分能够使太阳光经反射后均匀落在太阳能电池板上，显著提高太阳能转化成电能的能量转换效率以及太阳能电池板的使用寿命；跟踪部分能够根据地理位置不同情况，实现南北向呈最佳倾角，东西向单轴跟踪太阳，使得发电效率大幅增加，从而降低太阳能光伏发电成本。

Description

一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置

技术领域

本发明属于太阳能光电转换技术领域，具体涉及一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置。

背景技术

太阳能资源丰富、分布广泛，被视为21世纪最具发展潜力的可再生能源。太阳能光伏发电是依靠光生伏特效应，利用太阳能电池板将太阳能直接转化为电能的技术。在太阳能资源丰富的中国，对其开发利用的潜力非常广阔，但由于太阳能电池板的制造材料价格较高使得发电成本难以与传统发电相比。为了提高单位面积上获得的太阳能而进一步提高太阳能电池利用率和降低发电成本，采用聚光和跟踪技术对光伏发电装置进行改进。在聚光方面：根据聚光方式的差异，分为点聚焦、线聚焦聚光；根据聚光器的差异分为蝶式、槽式和菲涅尔式太阳能光伏发电等形式。对于光伏发电系统，太阳能电池板表面辐射分布不均匀是导致其发电功率较低及使用寿命降低的原因之一。因此，在聚光的同时，保证其均匀性对于光伏系统的发电性和稳定性是非常必要的。在跟踪方面：按照沿固定轴转动和沿固定点转动，分为单轴跟踪和双轴跟踪。南北向呈最佳倾角、东西向单轴跟踪虽然比双轴跟踪情况下获得的太阳辐照略少，但是其凭借安装简单、精度要求及维护成本较低，使用寿命长，可靠性较高等优点成为广泛采用的跟踪技术。

发明内容

为了在聚光的同时保证太阳能电池板上接收辐照的均匀性，提高光伏发电系统的稳定性及其使用寿命，降低太阳能光伏发电成本，本发明利用均匀聚光和南北向呈最佳倾角、东西向单轴跟踪，提供了一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，由两块太阳能电池板背对背式构成的发电部分、均匀聚光反射镜构成的聚光部分以及可升降支撑架构成的跟踪部分组成；

所述发电部分由固定在支撑平板4上的第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2组成，第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2接收阳光的一面朝外，背光的一面朝内，形成背对背式的平行结构，第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2长边呈南北向放置且关于支撑平板4的中心轴左右对称；使用时，支撑平板4向南北向的倾斜角与水平面的夹角与当地纬度近似相等，支撑平板4向东西向的倾斜角度与太阳高度角互余；

所述聚光部分由固定在支撑平板4上的第一反射镜5和第二反射镜6组成，第一反射镜5和第二反射镜6开口朝上，并关于支撑平板4的中心轴左右对称；根据能量守恒定律及光线反射定律得到反射镜曲面的剖面曲线微分方程：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\frac{x-a_b}{y_b-y+\sqrt{{(x-a_b)}^2+{(y_b-y)}^2}}$

式中 $y_b=\frac{(x-a_1)(b_2-b_1)}{a_2-a_1}+b_1$

其中，a₁、a₂为反射镜起点与终点横坐标，a_b为太阳能电池板横坐标，b₁、b₂为太阳能电池板起点与终点纵坐标，y_b为某一入射光线经反射后落到太阳能电池板上的纵坐标；利用上述反射镜曲面，可实现均匀分配入射辐照强度，能够在太阳能电池板上实现聚光均匀性。

所述跟踪部分包括置于地面上的底座7，底座7上设有南北向的两条轨道8和东西向的两条轨道9形成的四边形轨道，四边形轨道的四个顶角放置可升降立柱16，两个L型支撑槽13放置在支撑平板4与第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2平行的边上，每个L型支撑槽13的两端固定有U型链接槽15，其下端连接可升降立柱16，圆柱形承压管14贯穿L型支撑槽13和U型链接槽15，并位于支撑平板4下方；所述底座7上设有升降电机10、南北向水平移动电机11及东西向水平移动电机12，其中升降电机10分别控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱16的垂直高度，南北向水平移动电机11用于控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱16之间的南北水平间距，东西向水平移动电机12用于控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱16之间的东西水平间距。

所述升降电机10、南北向水平移动电机11及东西向水平移动电机12的运转由控制系统进行控制。

所述第一太阳能电池板1、第二太阳能电池板2、第一反射镜5和第二反射镜6将支撑平板均匀分成三部分。

所述第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2通过电池插槽3固定在支撑平板4上。

和现有技术相比较，本发明具备如下优点：

1、本发明光伏发电装置，通过跟踪部分控制第一太阳能电池板和第二太阳能电池板长边呈南北向放置，且采用与水平面的夹角与当地纬度近似相等的最佳倾角、东西向单轴跟踪太阳的方式，实现装置的追日转动，使得发电效率大幅增加，从而降低太阳能光伏发电成本。

2、利用本发明剖面曲线微分方程得到的反射镜曲面，可实现均匀分配入射辐照强度，实现太阳能电池板上的聚光均匀性，显著提高太阳能转化成电能的能量转换效率以及太阳能电池板的使用寿命。

3、发电部分采用背对背式的结构减少了占用面积，间接增大了光伏发电容量。

4、升降电机及水平移动电机的运转由编程输入系统进行控制。同时启动南北向水平移动电机和升降电机，可调整装置南北向倾角，实现装置南北向采光最佳倾角；同时启动东西向水平移动电机和升降电机，可调整装置东西向倾角，根据太阳运动的轨迹，实现装置的追日转动。

附图说明

图1为槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置图。

图2为装置底部俯视图。

图3为均匀聚光原理图。

图4为均匀聚光示意简图。

图5为太阳能电池板上辐照均匀度分布图。

图6为南北向呈34°倾角的装置图。

图7为南北向呈34°且东西向呈30°倾角的装置图。

具体实施方式

下面列举一个实例并结合附图对本发明作详细的说明：

如图1和图2所示，本发明一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，由两块太阳能电池板背对背式构成的发电部分、均匀聚光反射镜构成的聚光部分以及可升降支撑架构成的跟踪部分组成；

所述发电部分由固定在支撑平板4上的第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2组成，第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2接收阳光的一面朝外，背光的一面朝内，形成背对背式的平行结构，第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2长边呈南北向放置且关于支撑平板4的中心轴左右对称；使用时，支撑平板4向南北向的倾斜角与水平面的夹角与当地纬度近似相等，支撑平板4向东西向的倾斜角度与太阳高度角互余。本实例设置第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2的尺寸为长200cm、宽40cm；支撑平板4的尺寸为长200cm、宽90cm。即以支撑平板4的中心轴为坐标y轴的图3中：横坐标a_b、a₁分别为15、45，纵坐标b₂-b₁为40。

所述聚光部分由固定在支撑平板4上的第一反射镜5和第二反射镜6组成，第一反射镜5和第二反射镜6开口朝上，并关于支撑平板4的中心轴左右对称；根据能量守恒定律及光线反射定律得到反射镜曲面的剖面曲线微分方程：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\frac{x-a_b}{y_b-y+\sqrt{{(x-a_b)}^2+{(y_b-y)}^2}}$

式中 $y_b=\frac{(x-a_1)(b_2-b_1)}{a_2-a_1}+b_1$

其中，a₁、a₂为反射镜起点与终点横坐标，a_b为太阳能电池板横坐标，b₁、b₂为太阳能电池板起点与终点纵坐标，y_b为某一入射光线经反射后落到太阳能电池板上的纵坐标；利用上述反射镜曲面，可实现均匀分配入射辐照强度，能够在太阳能电池板上实现聚光均匀性。如图4所示，为均匀聚光部分聚光示意简图。

在本实例中，设置b₁为10、b₂为50、a₁为45、a₂为165。反射镜曲面的剖面曲线微分方程可化简为：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\frac{x-15}{\frac{1}{3}x-5-y+\sqrt{{(x-15)}^2+{(\frac{1}{3}x-5-y)}^2}}$

对上述微分方程编程求解，得到曲线的离散点坐标。两个反射镜曲面关于y轴对称，右边剖面曲线离散点坐标如下所示：

根据上述参数的设定，本装置的实际聚光比为3.0。利用Light Tools光学模拟软件对太阳能电池板上接收的辐照均匀性进行模拟，模拟之前先对太阳能电池板进行网格划分，将太阳能电池板的长边每隔4cm划分一点，共50个点；将太阳能电池板的短边每隔5cm划分一点，共8个点，总计50×8＝400个网格。对每个网格进行数据采集，采用归一化的数据处理方法对模拟结果处理后，得到太阳能电池板上的辐照均匀度分布数据表，如表1所示，其中横向表头为太阳能电池板长边的50个点，纵向表头为其短边的8个点。由表1可以得到辐照均匀度最低值为0.812，最高值为1.000，故整个光伏电池板上接收的辐照均匀度为81.2％。太阳能电池板上的辐照均匀度分布如图5所示。

表1太阳能电池板上辐照均匀度分布数据表

本发明跟踪部分包括置于地面上的底座7，底座7上设有南北向的两条轨道8和东西向的两条轨道9形成的四边形轨道，四边形轨道的四个顶角放置可升降立柱16，两个L型支撑槽13放置在支撑平板4与第一太阳能电池板1和第二太阳能电池板2平行的边上，每个L型支撑槽13的两端固定有U型链接槽15，其下端连接可升降立柱16，圆柱形承压管14贯穿L型支撑槽13和U型链接槽15，并位于支撑平板4下方；所述底座7上设有升降电机10、南北向水平移动电机11及东西向水平移动电机12，其中升降电机10分别控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱16的垂直高度，南北向水平移动电机11用于控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱16之间的南北水平间距，东西向水平移动电机12用于控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱16之间的东西水平间距。同时启动南北向水平移动电机11和升降电机10，可调整装置南北向倾角，根据当地地理位置纬度的不同，实现装置南北向采光最佳倾角；同时启动东西向水平移动电机12和升降电机10，可调整装置东西向倾角，根据太阳运动的轨迹，实现装置的追日转动。

作为本发明的优选实施方式，所述升降电机10、南北向水平移动电机11及东西向水平移动电机12的运转由控制系统进行控制。

作为本发明的优选实施方式，所述第一太阳能电池板1、第二太阳能电池板2、第一反射镜5和第二反射镜6将支撑平板均匀分成三部分。

太阳能光伏发电装置南北向采光最佳倾角的确定，以使用周期内收集的太阳能最多为原则。根据实际经验，全年的最佳倾角应近似等于当地地理纬度。以西安地区为例，当地地理纬度为34°N，故应调整南北向水平移动电机和升降电机，使装置南北向呈34°，如图6所示。

太阳能光伏发电装置东西向跟踪太阳需要确定每天太阳日出日落时间及规定时刻的太阳高度角，从而得到规定时刻装置东西向倾角。由于全年每天太阳日出日落的时间及规定时刻的太阳高度角与当天的日子数及当地经纬度等参数有关，即

e＝9.87sin2b-7.53cosb-1.5sinb，b＝360(n-81)/364

其中n为日子数，为当地纬度，φ为当地经度，t₁为日出时间，t₂为日落时间，t为规定时间，α为太阳高度角，δ为赤纬角。装置东西向倾角与同一时刻太阳高度角互余。在太阳日出日落时间范围内，规定东西向跟踪太阳的初始时刻及终了时刻，将程序输入控制系统，并确定转动精度，即可实现东西向跟踪太阳。如图7所示，为南北向固定倾角34°且东西向呈30°时装置示意图。

Claims (5)

1.一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，其特征在于：由两块太阳能电池板背对背式构成的发电部分、均匀聚光反射镜构成的聚光部分以及可升降支撑架构成的跟踪部分组成；

所述发电部分由固定在支撑平板(4)上的第一太阳能电池板(1)和第二太阳能电池板(2)组成，第一太阳能电池板(1)和第二太阳能电池板(2)接收阳光的一面朝外，背光的一面朝内，形成背对背式的平行结构，第一太阳能电池板(1)和第二太阳能电池板(2)长边呈南北向放置且关于支撑平板(4)的中心轴左右对称；使用时，支撑平板(4)向南北向的倾斜角与水平面的夹角与当地纬度近似相等，支撑平板(4)向东西向的倾斜角度与太阳高度角互余；

所述聚光部分由固定在支撑平板(4)上的第一反射镜(5)和第二反射镜(6)组成，第一反射镜(5)和第二反射镜(6)开口朝上，并关于支撑平板(4)的中心轴左右对称；根据能量守恒定律及光线反射定律得到反射镜曲面的剖面曲线微分方程：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\frac{x-a_b}{y_b-y+\sqrt{{(x-a_b)}^2+{(y_b-y)}^2}}$

式中 $y_b=\frac{(x-a_1)(b_2-b_1)}{a_2-a_1}+b_1$

其中，a₁、a₂为反射镜起点与终点横坐标，a_b为太阳能电池板横坐标，b₁、b₂为太阳能电池板起点与终点纵坐标，y_b为某一入射光线经反射后落到太阳能电池板上的纵坐标。

2.根据权利要求1所述的一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，其特征在于：所述跟踪部分包括置于地面上的底座(7)，底座(7)上设有南北向的两条轨道(8)和东西向的两条轨道(9)形成的四边形轨道，四边形轨道的四个顶角放置可升降立柱(16)，两个L型支撑槽(13)放置在支撑平板(4)与第一太阳能电池板(1)和第二太阳能电池板(2)平行的边上，每个L型支撑槽(13)的两端固定有U型链接槽(15)，其下端连接可升降立柱(16)，圆柱形承压管(14)贯穿L型支撑槽(13)和U型链接槽(15)，并位于支撑平板(4)下方；所述底座(7)上设有升降电机(10)、南北向水平移动电机(11)及东西向水平移动电机(12)，其中升降电机(10)分别控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱(16)的垂直高度，南北向水平移动电机(11)用于控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱(16)之间的南北水平间距，东西向水平移动电机(12)用于控制四边形轨道的四个顶角上的可升降立柱(16)之间的东西水平间距。

3.根据权利要求2所述的一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，其特征在于：所述升降电机(10)、南北向水平移动电机(11)及东西向水平移动电机(12)的运转由控制系统进行控制。

4.根据权利要求1所述的一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，其特征在于：所述第一太阳能电池板(1)、第二太阳能电池板(2)、第一反射镜(5)和第二反射镜(6)将支撑平板均匀分成三部分。

5.根据权利要求1所述的一种槽式均匀聚光单轴跟踪太阳能光伏发电装置，其特征在于：所述第一太阳能电池板(1)和第二太阳能电池板(2)通过电池插槽(3)固定在支撑平板(4)上。