基本信息
- 项目名称：
- 太阳能光伏发电自动跟踪系统的创新设计与制作
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 充分开发利用太阳能，符合国家绿色环保、节能减排的政策导向。本设计选择抛物槽聚焦器，通过反射聚焦原理，实现光强叠加，提出全天候太阳光自适应跟踪算法，开发了单片机程序，制作了系统硬件。自动跟踪装置样机采用光机电一体化控制，通过机械传动与电子调速相结合的减速方案，实现大减速比传动，具有结构简单、自动化程度高、成本低的特点。实验表明，该装置能实现精准跟踪，可有效提高太阳能利用率，增加发电量，降低发电成本。
- 详细介绍：
- 太阳能作为一种可以永久持续使用的绿色可再生能源，有着巨大的应用前景。作为聚光式发电的核心供电装置，太阳自动跟踪系统既可在发电厂应用，也可为太阳能空调等民用设施供电，因而具有广阔的应用市场。本设计受太阳能槽式光热发电的启发，选择抛物槽聚焦器，通过反射聚焦原理，实现光强叠加，以便在较小的电池板区域聚焦吸收较多的太阳能。针对不同的天气条件，提出了一种全天候自适应跟踪控制策略。即当晴天时（光强大于预设值），系统采用光电跟踪的方式,控制步进电机转到与入射阳光垂直的位置而停止来蓄电；若遇乌云遮挡、阴雨天等天气，光强低于预设值，系统自动转入视日运动跟踪方式,控制电机按天文历时角度转动。基于上述构想，开发了单片机程序，设计制作了系统硬件。该系统具有以下创新点：①用成本较低的光敏传感器和简单的单片机控制电路，实现全天候太阳自动跟踪的光机电一体化控制；②采用机械传动与电子调速相结合的减速方案，以简单的机构，实现大减速比传动，保证跟踪装置缓慢匀速转动；③从实用性出发，采用了简化结构、减重省材、省力驱动、降低成本的节能方案。实验表明，该装置能实现精准跟踪，可有效提高太阳能利用率，增加发电量，降低发电成本。
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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
- （1）目的：太阳自动跟踪系统是聚光式光伏发电的核心装置，其研制涉及诸多关键技术，这些技术问题的解决，已成为太阳能利用产业化成败的关键。 （2）基本思路：由于平贴式的太阳能硅电池的转换效率太低，本设计受太阳能槽式聚焦光热发电的启发，选择抛物槽型聚光器，通过反射聚焦原理，实现光强叠加，针对光强的晴天、光弱的阴雨天等不同天气条件，提出一种全天候自适应跟踪控制策略，即以光电跟踪为主、视日运动轨迹跟踪为辅的综合跟踪控制策略。 （3）创新点 ①根据晴天与阴雨天气等不同天气条件，提出了以光电跟踪为主、视日运动轨迹跟踪为辅的跟踪策略，用价格较低的光敏传感器和单片机控制电路，实现自动跟踪系统的光机电一体化控制等。 ②采用机械传动与电子调试相结合的减速方式，以简单的机构，实现近1:750的大减速比传动。 ③面向产业化应用，采取了一系列简化结构、降低成本、减重省材、节能环保的实用技术方案。 （4）关键技术 ①多反射镜抛物面聚光器的制作工艺研究；②实现光电跟踪、视日运动轨迹跟踪两种方式结合控制的硬件系统设计。③用几何结构拓扑优化方法，解决减轻反射镜及支撑装置的重量并使其重心与转轴重合的问题。 （5）主要技术指标 ①聚光器聚光倍数为10；聚焦温度控制在150°C以下；②步进电机与方位轴之间的传动比为1/16。③光伏电池的能量转换效率约达25%。
科学性、先进性
- 本项目研究聚焦式太阳能发电的自适应自动跟踪系统及围绕跟踪系统的轻量化设计、结构优化、抛物面零件的模具设计加工、节能驱动等关键应用技术，这些技术问题的解决，已成为太阳能利用产业化成败的关键。本设计作品可提高太阳能利用率，增加发电量，降低太阳能发电的成本，在民用与工业应用中具有广阔的应用市场与发展前景。
获奖情况及鉴定结果
- 获得2011年广东省大学生挑战杯决赛三等奖
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、模型、图纸、、现场演示、图片、录像、样品
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
- 本设计作为聚光式光热发电和光伏发电的重要供电装置，其应用技术既可用于大型太阳能发电厂的工业应用，也可为家电、公共设施等民用。例如，太阳能空调、LED路灯与庭院灯、喷泉、游船、水泵、建筑、交通与通讯等产品提供低成本的供电方式（见图10）。此外，可应用于远离公共电网的无电地区和一些特殊场所，如为边远偏僻农村、牧区、海岛、高原、沙漠的农牧渔民提供照明、看电视、听广播等基本的生活用电，为通信中继站、沿海与内河航标、输油输气管道阴极保护、气象电站、公路道班以及边防哨所等特殊处所提供电源。 项目研究思路正确、具有较好的前期研究基础，研发的样机，具有机械执行机构简单、成本低、跟踪精度高，可靠性好等特点。项目的成果可为太阳能光伏发电及家电产品的节能化应用提供新的思路，符合国家节能减排、充分应用绿色能源的政策导向。
同类课题研究水平概述
- 聚光类太阳能热发电技术主要有塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能发电[4]。通过三十多年的研究开发实践，在国际上已达成共识，槽式太阳能发电站是目前最经济的太阳能发电方式，目前只有它实现了商业化运行，是最成熟的太阳能发电技术[5]。太阳能热发电技术商业化发展的主要障碍是成本，建立高效率、大容量、高聚光比的太阳能热发电系统是降低发电成本的主要研究方向[6]。 太阳自动跟踪系统是聚焦式太阳能光热与光伏发电的核心装置，其研制涉及诸多关键技术，如转动、驱动装置的机构与结构设计、基于光机电一体化的追日跟踪策略与控制系统的软硬件设计、重型构件的节能驱动、抛物聚焦面基板的模具的设计与数控精密加工等。这些技术问题的解决，已成为太阳能利用产业化成败的关键[7-13]。 太阳运行的轨迹是有规律可循的，通过计算可以得出任何时间和地点太阳的位置，从而完成对日跟踪。目前国内外采用的太阳自动跟踪方式很多，但主要有视日运动轨迹跟踪和光电跟踪两种方式[14]。如果将视日双轴运动跟踪和光电跟踪相结合，互补其短，就可以得到比较满意的效果。在光电跟踪的基础上，同时设置视日运动轨迹跟踪程序，当遇到乌云遮挡或阴天等天气状况时，由于光强太小，光敏管上产生的电信号会低于设定的阈值，系统自动跳到视日运动轨迹跟踪程序进行执行，天气好转后自动跳出，继续进行光电跟踪。为了更准确的检测天气状况，也可通过检测方阵输出电压低于阈值的方式判断天气状况。用视日运动跟踪弥补光电跟踪的缺点，能在任何气候条件下使光伏发电系统得到稳定而可靠的跟踪控制。这种跟踪方式跟踪准确度高，工作过程稳定，可应用于许多大中型光伏发电自动跟踪装置。 常用跟踪器的驱动方式有伺服电机驱动和液压驱动两种形式。伺服电机驱动通过减速机构直接带动聚热器转动，但低速爬行问题不好解决，另外要满足运行要求还需要很大的减速比；而液压驱动的输出扭矩大，间歇时间长，抗交变负载能力强， 可实现无级调速等优势，但容易产生冲击而使运动不稳[18]。 尽管经过30 多年的研究和实际运行经验积累，太阳能聚光发电的技术取得了重大进展和突破。但与其他比较成熟的可再生能源技术相比，目前的太阳能发电还不具备竞争力。提高系统效率和可靠性，降低发电成本，进一步开展大规模的系统示范，为大规模推广应用创造条件，是太阳能利用研究的热点。
