基本信息
- 项目名称：
- 家用太阳能自动跟踪光伏发电系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本作品开发了一套高效家用太阳能发电装置；该装置通过对太阳能吸收和存储环节的改进和创新，实现太阳能的高效吸收和快速存储，从而为各类家庭电器提供稳定电源。将单片机控制技术、传感器技术、机械传动原理、DA/AD技术、模拟放大及逆变升压技术等综合运用，较理想地实现了太阳能电池板对太阳光的自动跟踪和电池板的最大功率自动跟踪，并有完善的外部输出接口。
- 详细介绍：
- 太阳能作为一种清洁无污染的能源，其发展前景非常广阔。然而它存在着间歇性、光照方向和强度随时间和季节不停变化的问题，这就对太阳能的收集和利用提出了更高的要求。目前大多数的太阳能发电板阵列都是固定不动的，不能充分地利用太阳能资源。根据理论推导和实验验证，在太阳能光伏发电中，采用自动跟踪发电设备要比固定发电设备提高发电量35%以上。因此在太阳能光伏发电系统中，进行太阳方位的跟踪十分必要。本作品通过对传统的太阳能吸收和存储两个环节的创新和改进，实现对太阳能的高效吸收和快速存储，从而为家庭各种小型电器提供稳定工作能源。由于太阳的位置时刻都在变化，要想在太阳光能电池板上得到最大输出功率，就必须要太阳能电池板随时跟随太阳的运动轨迹运动，才能保证太阳光始终垂直照射到太阳电池板上。利用太阳光自动跟踪控制系统，从而实现太阳光始终垂直照射到太阳能电池上这一目的。本项目研制开发的家用太阳能自动跟踪光伏发电系统，利用太阳能电池板对太阳能的有效收集，必须实现太阳方位的自动跟踪以及太阳能电池板的最大功率自动跟踪。储电模块采用蓄电池和法拉电容结合的方式，根据当地阳光辐射情况、家庭电器负载总功率的大小以及每天工作时间选择相应输出功率的太阳能电池板、储电模块，并设计相应的充电电路。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品的设计目的是为了开发一家用、高效太阳能发电装置，主要通过对太阳能吸收和存储环节的改进，实现太阳能的高效吸收和快速存储，为各类家庭电器提供稳定电源。 创新点： 1、研制了管式八点半球形光电方位传感器：加不透明挡板以提高光吸收准确度；四个方向各有两个不同方向、高低错开的光敏电阻，以提高传感灵敏度。 2、储电模块采用蓄电池和法拉电容结合的方式，根据家庭用电量需求采取不同的储电模块。 3、本作品成品体积小，安装方便，易与现代房屋结构相融合。 技术关键： 1、自动跟踪系统传感器组件的制作，大幅度提高光接收准确度及灵敏度，有效避免外界杂光干扰。 2、自动跟踪器控制系统作，包括DC/DC变换和电源管理、系统电源转换、光电传感器信号处理电路、步进电机控制以及驱动、单片机控制系统软件程序的编写。 3、采用模糊参数自校正PID算法的光伏发电系统最大功率点跟踪控制，将MPPT技术应用于太阳能电池板对蓄电池/法拉电容的充电。 主要技术指标： 1、水平跟踪范围：-85°～+85°;水平跟踪灵敏度：0.1°;跟踪范围：-90°～+90°;竖直跟踪灵敏度：0.9°;内部DC-DC变换效率：≥85﹪;跟踪器功耗：调整时≤5W;待机时≤1W 2、法拉电容：电容：20.0F;额定电压：2.7V;额定放电容量：20.0F;最大直流电阻：60 mΩ 0.1A;尺寸：16×27 mm ΦD×L
科学性、先进性
- 1、管式八点半球形光电方位传感器，相比现有传感器抗干扰能力和跟踪精度更高。 2、芯片组：用LM324N四运放构成比较器，将0/1信号送入控制系统，简化程序设计。用LM2575-5开关型稳压芯片，使电源转换效率达到88%[1]。用专用步进电机控制芯片L297[2]和驱动芯片L298[3]，大幅度提高运动精度。用AT89S52单片机，ISP编程，使程序调试简单便捷，内置看门狗电路增强系统稳定性[4]。 3、储电模块：当家庭用电量小时，使用法拉电容（使用寿命长、无污染）[5]；当用电量大时，采用蓄电池（成本低）。 [1]National Semiconductor. LM2575芯片手册. [2]ST Microelectronics.L297芯片手册. [3]ST Microelectronics.L298芯片手册. [4]ATMEL.AT89S52芯片手册 [5]广州溢洋电子科技有限公司, 法拉电容.2006
获奖情况及鉴定结果
- 1、“全自动太阳能电池跟踪系统”部分于2010年11月获由江苏省物理学会颁发的“江苏省高校第七届大学生物理及实验科技作品创新竞赛二等奖”； 2、“法拉电容”对太阳能电池储能部分于2009年11月获由江苏省物理学会颁发的“江苏省高校第六届大学生物理及实验科技作品创新竞赛二等奖”。
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 专利转让或技术入股
作品可展示的形式
- 实物、产品；模型；图纸；现场演示；图片
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本作品可以安放在家中任意采光位置，完成初始化后便可自动跟踪太阳方位。充电结束后，可通过其220V交流插口供电。 技术特点和优势： 1、研制基于管式八点半球形光电方位传感器的光源自动跟踪装置，通过对内部DC/DC、电源管理、步进电机以及单片机控制系统的设计、制作和优化以实现装置对太阳方位的精确确定。 2、使用专业步进电机驱动，节能、稳定、可靠；采用最优化运动控制，有效节能；增加智能模糊跟踪，在阴雨天气能够进行有效跟踪。 3、传统太阳能吸收装置，每天正常发电时间约3小时。而本装置正常发电时间为8～12小时，发电量是固定式太阳能的1.4～1.7倍；本装置只需要一半功率的太阳能电池板，便可达到相同储能效果。 适应范围和推广前景： 可广泛应用于家庭、企业、公共事业等领域作为辅助能源，亦可应用于太阳能电站用于并网发电。太阳能的推广与应用已成为一种趋势，本作品具有个性化、易商品化的特点，可根据家庭日常用电量实行个性化定制，易与现代房屋结构相结合。
同类课题研究水平概述
- 本项目研制开发的家用太阳能自动跟踪光伏发电系统，利用太阳能电池板太阳方位的自动跟踪实现了电池板对太阳能的有效收集以及太阳能电池板的最大功率输出。本系统将单片机控制技术、传感器技术、机械传动原理、DA/AD技术、模拟放大及逆变升压技术等综合运用，较理想地实现了太阳能电池板对太阳光的自动跟踪和电池板的最大功率输出，并有完善的外部输出接口。 经检索国内相关文献:王岩针提出了一种基于模糊参数自校正PID控制实现最大功率点跟踪的方法，仿真表明该方法能够很好的处理好控制精度和速度这一矛盾，使光伏系统始终输出最大功率;刘健将模糊控制和传统PID结合应用到光伏发电系统最大功率点跟踪的控制当中，并采用Cuk变换器实现MPPT功能;乔兴宏提出了一种基于模糊控制，具有在线参数调整的自适应占空比扰动法;朱腾采用改进的步进式扰动观察最大功率点算法，来寻找太阳电池阵列的最大功率点，使系统在任何温度和日照条件下都能跟踪太阳电池的最大功率，最后提出了较为先进的模糊控制算法及其具体的设计步骤，设计中采用了双环控制系统，电压环采用了DC/DC的升降压变换电路用来保持电力系统的恒电压输出，其中使用了离散型增量式PID算法来对电压进行控制；中国专利200910117269.7设计一种太阳能应用领域太阳能追日系统的位置传感器，产品壳体上设置防护玻璃，内部安装锥形反光罩，下端安装扇形光电器件和电路板；中国专利201010553981.4涉及一种适用于太阳能自动跟踪系统的追光传感器，座体具有一个上平面（水平）和三个侧平面（倾斜角一致），分别安装相同的传感元件。 本项目综合运用D/A芯片级逆变技术、模糊参数自校正（PID）算法以及光伏发电系统最大功率点跟踪（MPPT）控制技术对蓄电池或法拉电容进行充电储能，太阳能自动跟踪光伏发电系统采用管式结构的八点半球形光电方位传感器，在国内文献中未述及。 法拉电容作为能量存储元件，具有充电速度快、体积小，可大电流充放电、使用周期长、功率密度高、充放电线路简单、安全性好、超低温性好、检测方便以及环保等特点。当家庭用电量大时，出于价格的考虑，可以选择蓄电池作为储能模块以达到节约成本的目的。
