專利名稱：一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，屬于太陽能發(fā)電裝置技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光伏發(fā)電具有性能穩(wěn)定、設(shè)備壽命長、可靠性高、維護(hù)量小等一系列優(yōu)點(diǎn)，但是由于太陽能能量密度低隨機(jī)性大的特點(diǎn)，光伏發(fā)電系統(tǒng)一般投資大、成本高。
目前傳統(tǒng)的太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要采用固定式安裝或單純利用軟件算法實(shí)現(xiàn)追光。固定式安裝的產(chǎn)品不能根據(jù)太陽位置的變化調(diào)整太陽能系統(tǒng)的姿態(tài)，導(dǎo)致太陽能的采集及利用率低，長遠(yuǎn)投資成本大。而單純采用地理位置和時(shí)間信息的軟件追光發(fā)電設(shè)備，由于算法中有很多問題難以被考慮，常常產(chǎn)生太陽能電池板運(yùn)動過多或產(chǎn)生誤動作。
而少數(shù)采用傳感器追光的產(chǎn)品大多將追光設(shè)備安裝在太陽能電池板上，即每塊太陽能電池板均需安裝一個(gè)追光設(shè)備，因而追光設(shè)備的數(shù)量多，增加了成本。同時(shí)，現(xiàn)有的追光設(shè)備大多采用連續(xù)式的追光方法(即傳感器控制太陽能電池板實(shí)時(shí)對準(zhǔn)太陽，實(shí)際這樣是沒有必要的)，耗能大且易造成誤動作，也相應(yīng)的增加了成本。
另外，大多研究者將追光設(shè)備設(shè)計(jì)成雙軸跟蹤裝置，其中一個(gè)電機(jī)雖然對于太陽方位的定位起到了一定作用，但完全可以通過改進(jìn)追光系統(tǒng)的安裝方式而省略，因此這種雙軸跟蹤方法成本大,性價(jià)比也低。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，即采用傳感器追光的產(chǎn)品大多將追光設(shè)備安裝在太陽能電池板上，即每塊太陽能電池板均需安裝一個(gè)追光設(shè)備，因而追光設(shè)備的數(shù)量多，增加了成本。同時(shí)，現(xiàn)有的追光設(shè)備大多采用連續(xù)式的追光方法，耗能大且易造成誤動作，也相應(yīng)的增加了成本。進(jìn)而提供一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的: 一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，包括太陽能電池板、步進(jìn)電機(jī)、支柱、中央控制系統(tǒng)、底座、儲能系統(tǒng)、發(fā)電裝置的凸透鏡、遮光筒和追光傳感器，所述遮光筒固定在底座上的一側(cè)，遮光筒的上端固定有發(fā)電裝置的凸透鏡，遮光筒內(nèi)的下部設(shè)有追光傳感器，底座的另一側(cè)上固定有支柱，支柱的上端固定有步進(jìn)電機(jī)和太陽能電池板，中央控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)均固定在底座上。
本發(fā)明的太陽能發(fā)電裝置具有以下優(yōu)點(diǎn): 1.通過實(shí)驗(yàn)，與固定式光伏發(fā)電裝置相比，本發(fā)明能提高效率約30%。
2.與連續(xù)追光模式相比，本發(fā)明的發(fā)電效率差別不大，但由于采用了離散的追光模式，因而電機(jī)動作少，功耗和損耗都相應(yīng)降低。
3.與雙軸跟蹤方式相比，本發(fā)明的發(fā)電效率略有降低，但由于減少了一個(gè)電機(jī)的使用，功耗和成本都相應(yīng)降低，并且使裝置變得簡單更易商品化。
4.與安裝在太陽能電池板上的追光裝置相比，本發(fā)明利用一個(gè)追光裝置實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的太陽能電池板的自動追光，減少了電機(jī)的負(fù)載，同時(shí)降低了成本。
圖1是追光傳感器的剖面結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是追光傳感器的俯視結(jié)構(gòu)意圖； 圖3是光敏電阻距離的計(jì)算示意圖； 圖4是具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是追光傳感器的電路圖； 圖6是陽光直射時(shí)在太陽能電池板上所有光線能夠被吸收兩次的示意圖； 圖7是陽光以20度入射角射向太陽能電池板時(shí)所有光線能被吸收兩次的示意圖； 圖8是陽光以大于20度的入射角射向太陽能電池板時(shí)部分光線只能被吸收一次的示意圖； 圖9是將太陽的軌跡離散為五個(gè)區(qū)域(離散天空)的示意圖； 圖10是陽光與海平面的夾角在15度到45度之間的區(qū)域的示意圖； 圖11是將清晨與黃昏時(shí)刻的區(qū)域規(guī)劃到區(qū)域I和5統(tǒng)一管理的示意圖； 圖12是陽光與海平面的夾角在45度到75度之間的區(qū)域的示意圖； 圖13是陽光與海平面的夾角在75度到105度之間的區(qū)域的示意圖； 圖14是理論的追光發(fā)電裝置模型圖。由兩個(gè)電機(jī)(日電機(jī)和季電機(jī)組成)，分別跟蹤太陽的東升西落運(yùn)動和太陽隨季節(jié)的南北移動。
圖15是太陽能電池板水平放置于赤道上時(shí)南北方向的最大入射角為23.5度的示意圖； 圖16是太陽能電池板以與海平面呈23.5度放置在北回歸線示意圖。
圖17是北半球夏季太陽能多于冬季，使aa’適當(dāng)右旋，使α減小，從而可以使Θ I減小，Θ 2增大示意圖，可以更好的利用北半球的夏季太陽能。
圖18是北半球北回歸線以外,再使aa’適當(dāng)右旋,使α減小，從而可以使Θ I再減小，Θ2再增大示意圖，從而以犧牲冬季的低密度能量來更好的利用夏季太陽能。
圖19是經(jīng)過簡化后的單電機(jī)模型圖。
圖20是太陽能發(fā)電裝置控制流程圖。
具體實(shí)施方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述實(shí)施例。
如圖4所示，本實(shí)施例所涉及的一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，包括太陽能電池板11、步進(jìn)電機(jī)12、支柱13、中央控制系統(tǒng)14、底座15、儲能系統(tǒng)16、發(fā)電裝置的凸透鏡17、遮光筒18和追光傳感器19，所述遮光筒18固定在底座15上的一側(cè)，遮光筒18的上端固定有發(fā)電裝置的凸透鏡17，遮光筒18內(nèi)的下部設(shè)有追光傳感器19，底座15的另一側(cè)上固定有支柱13，支柱13的上端固定有步進(jìn)電機(jī)12和太陽能電池板11，中央控制系統(tǒng)14和儲能系統(tǒng)16均固定在底座15上。
如圖f圖3所示，所述追光傳感器19包括傳感器外殼1、傳感器的凸透鏡2、光敏電阻3和電路板4，所述光敏電阻3固定在電路板4上，傳感器的凸透鏡2設(shè)置在傳感器外殼I的上部殼體上，傳感器外殼I的下端與電路板4固定連接。
如圖3所不,所述電路板4上設(shè)有五排光敏電阻3,從電路板4的一側(cè)到另一側(cè)依次為第一排光敏電阻A、第二排光敏電阻B、第三排光敏電阻C、第四排光敏電阻D和第五排光敏電阻E。
如圖3所示，所述傳感器的凸透鏡2的焦距f=13.2mm,傳感器的凸透鏡2與第三排光敏電阻C之間設(shè)有一條與電路板4垂直的直線F，第一排光敏電阻A與直線F之間的角度Φ1=45°，第二排光敏電阻B與直線F之間的角度Φ2=15°，第四排光敏電阻D與直線F之間的角度Φ3=45°，第五排光敏電阻E與直線F之間的角度Φ4=75° ;第五排光敏電阻E與直線F之間的距離dl=49.26mm，第四排光敏電阻D與直線F之間的距離d2=13.2mm,第二排光敏電阻B與直線F之間的距離d3=3.5mm，第一排光敏電阻A與直線F之間的距離d4=13.2mm。
太陽能發(fā)電用追光傳感器(簡稱傳感器)是依靠光敏二極管和光學(xué)器件的太陽方位檢測裝置。當(dāng)用一個(gè)焦距合適的凸透鏡將太陽光(近似平行光)在遮光筒內(nèi)聚焦。根據(jù)幾何光學(xué)成像原理，平行光會在焦平面(遮光筒底部)形成一個(gè)有效光斑。此時(shí)在焦平面上合適的布置光敏傳感器，通過單片機(jī)分時(shí)地對傳感器進(jìn)行AD采樣后，再對采樣值進(jìn)行對比與排序，就能得到此時(shí)有效光斑的位置信息。
為了提高單晶硅光伏電池板的光電轉(zhuǎn)換效率，常將其表面制作成“類金字塔”形的絨面結(jié)構(gòu)，利用“類金字塔”絨面結(jié)構(gòu)的陷光效應(yīng)，可以降低陽光的反射率，增強(qiáng)陽光的吸收率，從而提高光生電流密度以及光伏電池的轉(zhuǎn)換效率。
當(dāng)陽光直射到理想的絨面單晶硅光伏板上時(shí)(此時(shí)，陽光的入射角為O度)，所有的光線都能被吸收兩次(見圖6);隨著陽光的入射角不斷增大，陽光不斷移動，直至陽光的入射角增大到20度時(shí)，此時(shí)恰好所有的光線都能被吸收兩次(見圖7);當(dāng)入射角大于20度后，一部分陽光將不能被吸收兩次，僅被吸收一次后就被反射出單晶硅表面(見圖8)。因此，對于理想的絨面單晶硅光伏電池板，當(dāng)入射角小于等于20度時(shí)，單晶硅對于光線的吸收率相差很小。在此，我們不妨將這種現(xiàn)象叫做“絨面單晶硅光伏電池的最大容忍入射角”，簡稱“最大容忍角”。
考慮到實(shí)際的絨面結(jié)構(gòu)可能并不理想，其表面的“類金字塔”結(jié)構(gòu)可能會出現(xiàn)部分缺陷，綜合經(jīng)濟(jì)因素，實(shí)際最大容忍角通常取為15度。
根據(jù)實(shí)際最大容忍角為15度，可以將天空離散為五個(gè)區(qū)域(見圖9)。在一個(gè)固定的海平面上，太陽由該海平面的東邊升起，西邊落下，在圖8中按逆時(shí)針運(yùn)動。在太陽剛升起和快落下的兩個(gè)15度的過程中，即通常情況下的清晨和黃昏，此時(shí)的光照強(qiáng)度極其微弱，沒有必要追光，因此將這兩個(gè)區(qū)域忽略掉。
緊接著，隨著太陽不斷運(yùn)動，當(dāng)陽光與海平面的夾角在15度到45度之間時(shí)(見圖10)，該區(qū)域以圖中的粗實(shí)線I為對稱軸，那么在此時(shí)，只需保證太陽能電池板平面與實(shí)線I垂直，就能保證區(qū)域I時(shí)的陽光入射角總是小于實(shí)際最大容忍角15度。如前所述，可將清晨的陽光歸到區(qū)域1統(tǒng)一管理，即當(dāng)陽光與海平面的夾角在0度到45度之間時(shí)，太陽能電池板始終與光線1垂直。同理可得區(qū)域5的情況(見圖11)。
同理，隨著太陽不斷運(yùn)動，我們很容易得出區(qū)域2，3和4的相關(guān)情況(見圖12和圖13)。
為了更清晰地表達(dá)此過程，現(xiàn)將此過程列表以示說明(見表I) 表1.離散天空的過程
權(quán)利要求
1.一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，其特征在于，包括太陽能電池板(11)、步進(jìn)電機(jī)(12)、支柱(13)、中央控制系統(tǒng)(14)、底座(15)、儲能系統(tǒng)(16)、發(fā)電裝置的凸透鏡(17),遮光筒(18)和追光傳感器(19)，所述遮光筒(18)固定在底座(15)上的一側(cè)，遮光筒(18)的上端固定有發(fā)電裝置的凸透鏡(17)，遮光筒(18)內(nèi)的下部設(shè)有追光傳感器(19)，底座(15)的另一側(cè)上固定有支柱(13)，支柱(13)的上端固定有步進(jìn)電機(jī)(12)和太陽能電池板(11 )，中央控制系統(tǒng)(14)和儲能系統(tǒng)(16)均固定在底座(15)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，其特征在于，所述追光傳感器(19)包括傳感器外殼(I)、傳感器的凸透鏡(2)、光敏電阻(3)和電路板(4)，所述光敏電阻(3)固定在電路板(4)上，傳感器的凸透鏡(2)設(shè)置在傳感器外殼(I)的上部殼體上，傳感器外殼(I)的下端與電路板(4)固定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，其特征在于，所述電路板(4)上設(shè)有五排光敏電阻(3)，從電路板(4)的一側(cè)到另一側(cè)依次為第一排光敏電阻(A)、第二排光敏電阻(B)、第三排光敏電阻(C)、第四排光敏電阻(D)和第五排光敏電阻(E)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，其特征在于，所述傳感器的凸透鏡(2)的焦距(f )=13.2mm，傳感器的凸透鏡(2)與第三排光敏電阻(C)之間設(shè)有一條與電路板(4)垂直的直線(F)，第一排光敏電阻(A)與直線(F)之間的角度Φ1=45°，第二排光敏電阻(B)與直線(F)之間的角度Φ2=15°，第四排光敏電阻(D)與直線(F)之間的角度Φ3=45°，第五排光敏電阻(E)與直線(F)之間的角度Φ4=75° ;第五排光敏電阻(E)與直線(F)之間的距離dl=49.26mm，第四排光敏電阻(D)與直線(F)之間的距離d2=13.2mm,第二排光敏電阻(B)與直線(F)之間的距離d3=3.5mm，第一排光敏電阻(A)與直線(F)之間的距離 d4=13.2mm。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有追光傳感器的太陽能發(fā)電裝置，本發(fā)明所述遮光筒固定在底座上的一側(cè)，遮光筒的上端固定有發(fā)電裝置的凸透鏡，遮光筒內(nèi)的下部設(shè)有追光傳感器，底座的另一側(cè)上固定有支柱，支柱的上端固定有步進(jìn)電機(jī)和太陽能電池板，中央控制系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)均固定在底座上。通過實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明與固定式光伏發(fā)電裝置相比能提高效率約30%。與連續(xù)追光模式相比，本發(fā)明的發(fā)電效率差別不大，但由于采用了離散的追光模式，因而電機(jī)動作少，功耗和損耗都相應(yīng)降低。與安裝在太陽能電池板上的追光裝置相比，本發(fā)明利用一個(gè)追光裝置實(shí)現(xiàn)了一定范圍內(nèi)的太陽能電池板的自動追光，減少了電機(jī)的負(fù)載，同時(shí)降低了成本。
文檔編號H02N6/00GK103151962SQ20131009271
公開日2013年6月12日 申請日期2013年3月22日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月22日
發(fā)明者張相軍, 駱子重, 汪芊芊, 常琳, 張毅, 楊龍, 王天昊, 趙尚杰 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)