基本信息
- 项目名称：
- 双抛物面均匀反射聚光跟踪光伏发电供热装置
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 本作品属聚光型光伏发电供热系统，主要由聚光子系统、冷却子系统、伺服跟踪子系统组成。聚光子系统采用双抛物面均匀反射新型聚光方法，可获得高平行度、高聚光比的汇聚光；冷却子系统采用滤红外线和水冷法相结合的新型冷却技术，改善对光伏电板的降温效果；伺服跟踪子系统采用太阳轨迹跟踪的日历法结合光伏电板功率扰动爬山法的新型无光传感器组合跟踪策略，减少光检测元件的硬件投资，提高跟踪速度，增强跟踪的稳定性和抗扰能力。
- 详细介绍：
- 本系统主要由光伏电板、小抛物面型反射板、大抛物面型反射板、红外滤光片、水冷型金属导热片、冷水水箱、储热水箱、东西偏角调节伺服底盘、迎光仰角调节伺服转轴、伺服控制电路、时钟日历电路和功率检测电路等组成。大、小两个抛物面型反射板凹面相对安装放置，且两者的法轴线共线、焦点重合；红外滤光片放置在两抛物面型反射板焦点的前后附近，且其法轴线与两个抛物面型反射板的法轴线共线；光伏电板固定在大抛物面型反射板的凹面底部；光伏电板电压输出端通过导线与电压检测电路相连接；大抛物面型反射板安装在东西偏角调节伺服底盘上方，并通过支承部件与迎光仰角调节伺服转轴相连接；东西偏角调节伺服底盘和迎光仰角调节伺服转轴各自采用一套步进电机驱动，所述两套步进电机均与伺服控制电路相连接；伺服控制电路还需与时钟日历电路和功率检测电路相连接；光伏电板背面紧贴安装水冷型金属导热片，后者与冷水水箱和储热水箱相连接；储热水箱进水口处安装温控阀门。 本系统采用基于混合跟踪策略（日历法结合功率扰动爬山法）的无光传感器太阳光自动跟踪方法以及两轴伺服运动机构自动追踪太阳。当抛物面的法向轴线对准太阳后，通过大抛物面聚光、小抛物面散光和红外滤光功能部件，将太阳入射光变换成一束均匀、平行且无红外波长的高强度光，垂直照射到光伏电板上，水冷却部件起到对光伏电板的辅助降温作用，避免光伏电板局部受热和红外线聚集发热的问题；作品具有整机单位面积发电效率和发电量高，单位功率造价低，光伏电板寿命长，动静态稳定性好等优点。 抛物面的法向轴线对准太阳后，平行于抛物面法向轴线的太阳光经大抛物面型反射板反射后聚集在一条焦线上，并通过抛物面焦点附近的红外滤光片，滤去了绝大部分红外线。通过滤光片的汇聚太阳光因过小抛物面的焦点，经小抛物面型反射板反射后变为平行汇聚的太阳光，均匀地投射到光伏电板上。光伏电板所发的电通过电线引出，既可处理后直接使用，也可储存在蓄电池中或并网使用。光伏电板产生的热量，被其背面安装的水冷型金属散热细管内的水吸收，当细管内的水达到一定的温度，温控水阀自动开关，使得外部冷水流入散热细管，内部热水流出到外部储热水箱，以供生活和生产使用。 为了节约控制机构的功耗，带动东西偏角和迎光仰角转轴转动来跟踪太阳，本作品配置断电自动锁死功能的电磁抱刹机构，以保证电机断电后，两轴伺服机构保持原位。 伺服控制电路内部存储了装置安装地点在不同月、日、时条件下的装置太阳光跟踪所需的姿态角度，包括东西偏角和迎光仰角。伺服控制电路先通过时钟日历电路给出的时间信息来驱使东西偏角调节伺服底盘和迎光仰角调节伺服转轴运动，以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的粗调，再通过功率检测电路给出的光伏电板实时功率信息，应用爬山法微调东西偏角调节伺服底盘和迎光仰角调节伺服转轴的位置，以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的准确细调。伺服控制电路每间隔5-10分钟进行一次装置跟踪太阳光的粗调和细调动作，以保证本系统跟踪太阳的准确性。 为了增强系统的可操作性，本系统控制器增配有无线数据通讯接口。通过此接口，操作人员可以通过远程无线通讯的方式，在远程计算机上实时获取本系统安装现场的运行姿态和发电参数，也可利用远程计算机向控制器发送控制参数（如模糊智能决策逻辑规则，允许迎光角度偏差和各种阀值参数等）和控制命令（如停机、复位和强制定位等），以方便操作人员对本系统的实时监控和安装调试。
作品图片
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
- 目的： 设计一种新型的聚光光伏发电供热装置，及一种无光传感器的高效追日跟踪策略。 基本思路： [1]采用采用大抛物面聚光和小抛物面均匀反射散光的组合式设计聚光子系统； [2]采用红外滤光片和水冷法相结合的降温技术设计冷却子系统； [3]采用混合追日跟踪策略（日历法结合功率扰动爬山法）设计伺服跟踪控制子系统； [4]采用双轴跟踪、断电抱刹、简单协调的构架思想设计装置结构； [5]采用无线远程通讯技术设计远程监控系统。 创新点： [1]双抛物面均匀反射聚光和散光的组合式聚光光伏发电方法。该方法可提高聚光度，并保证聚集的太阳光均匀地射到光伏电板上，延长电池的使用寿命； [2]太阳轨迹跟踪日历法结合光伏电板功率扰动爬山法的新型无光传感器组合追日跟踪策略。该策略可减少光检测元件的硬件投资，提高跟踪速度，增强装置对太阳跟踪的稳定性和抗扰能力； [3]一种优化的高效红外滤光片应用方法。该方法可在提高散热效果的同时，减少滤光片的用量，节约成本。 技术关键： [1]由于采用抛物面聚光和散光，因此要求较高的双抛物面加工和安装精度； [2]采用日历法和爬山法混合跟踪策略，需要建立装置安装现场的年太阳轨迹数据库； [3]装置在恶劣环境及故障状态下的保护与容错机制。 主要技术指标： [1]聚光比为5； [2]两轴自动追日跟踪； [3]跟踪精度小于0.5°； [4]无线通信距离为1km； [5]样机工作温度-10~70℃； [6]抗风等级小于10级。
科学性、先进性
- [1] 基于双抛物面的高倍聚光和均匀散光特性，即大抛物面高倍聚光、小抛物面均匀反射散光方式，在提高聚光度的同时，能保证聚集的太阳光均匀地射到光伏电板上，延长电池的使用寿命； [2] 基于日历法结合功率扰动爬山法的无光传感器混合跟踪策略，日历法实现跟踪粗调，爬山法实现跟踪细调，提高了跟踪速度，降低硬件成本，增强了装置对太阳跟踪的稳定性和抗扰能力； [3] 基于红外滤光和水冷的复合式光伏板散热方法，红外滤光片放置在两抛物面的焦点上或焦点附近，在提高散热效果的同时，减少滤光片的用量，节约成本； [4] 基于断电自动电磁抱刹和间歇式模糊智能伺服控制策略，系统高效节电，降低跟踪功耗，剔除外界干扰； [5] 基于ZigBee技术的远程无线监控系统，增加了装置运行的可控性和柔性，降低了人工现场维护的劳动成本； [6] 基于简单协调的机械结构设计，提高了整机结构刚度和稳定能，进一步降低了两轴伺服跟踪运动的动态功耗，静态保持力矩功耗为零，具有较高的性价比。
获奖情况及鉴定结果
- [1]2010年11月，在某省高校第七届大学生物理及实验科技作品创新竞赛中获“特等奖”； [2]2010年12月，在某大学第三届大学生课外学术科技作品竞赛中获“特等奖”。
作品所处阶段
- 实验室阶段。
技术转让方式
- 技术服务和咨询、合作生产。
作品可展示的形式
- 实物、现场演示。
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
- 技术特点和优势：聚光光束均匀，聚光比高，无光伏电板局部受热和红外线聚集发热的问题；采用无光传感器自动跟踪策略，抗扰能力强，跟踪速度快；简单协调的整机结构，刚度强，静态保持功耗低。整机具有单位面积发电效率高，单位功率造价低，寿命长，稳定性好等优点。 适用范围：适用于我国绝大部分地区的光伏发电产热应用，可配置成为家庭型和企业型的系列产品。 市场分析：聚光发电是在高效光伏电池材料尚未出现的产业现状下，促进太阳能进一步广泛应用的主要设计思路和研究应用途径。因此，作品以降低光伏发电成本为出发点，设计出的聚光光伏设备，具有良好的市场推广潜力。 效益预测：现今光伏设备成本约为15元/W，以1kW为例，传统光伏设备成本约为1.5万元。本作品按批量生产计算，则1kW装置投资预测为：光伏电板3750元、聚光和红外滤光材料750元、驱动及控制器2950元、机械及外围附件2000元、其他400元，合计：9850元。因此，同样1kW发电设备，本作品可比传统光伏发电设备节约5000元左右。
同类课题研究水平概述
- 新能源是21世纪世界经济发展最具决定力的技术领域之一，太阳能发电不产生任何废弃物，无污染，无噪声，是理想的清洁能源。目前，各国政府都将太阳能资源利用作为国家可持续发展战略的重要内容。 然而太阳辐射密度低、光伏电池昂贵等问题，导致光伏发电系统的成本居高不下。据调查，目前太阳能发电成本约为15-20元/W，昂贵的太阳能电池板严重束缚着太阳能产业的发展。另根据教育部光伏系统工程研究中心能源研究所统计分析，以最佳倾角和垂直安装两种并网光伏系统情况计算，每安装1kW光伏系统在其生命周期内总共减少CO2排放量差异较大，范围约为8.92吨到39.20吨之间。因此，大力发展聚光型光伏发电设备，利用较低成本的聚光器件弥补昂贵的光伏电池成本投入，以进一步提高发电效率，降低发电成本，发挥光伏节能减排作用，是目前国内外光伏发电应用研究与产业化推广领域中的重要研究方向。 综合现有文献，聚光太阳能光伏发电大多直接通过凸透镜或菲涅耳透镜以及反折射镜来聚光，汇聚的太阳光不均匀地投射到光伏电板上，当聚光比较高时，光伏电板产热非常严重，很容易使光伏电板局部受热而损坏。目前也有一些新型的聚光技术，但仍有不足，如许志龙的专利“蝶形反射聚光光伏发电系统”采用平面镜碟式排列聚光，可使汇聚的太阳光均匀地射到光伏电板上，但此方法聚光比与平面镜数量有关，受到装置体积和成本投入限制大。 可产生光伏效应的太阳辐射波长范围在0.4-1.1um，其它波长的太阳辐射照射在太阳能电池板上只转化为热能，使光伏电板的温度升高，降低光电转换效率，缩短了光伏电板的寿命。专利申请号为200610088176.2的“可自散热的太阳能聚集型光伏发电装置”虽然滤去了红外线，但滤光片的形状为抛物面形，加工比较困难，用量大，经济成本较高。 大部分聚光发电装置需要跟踪太阳，而太阳跟踪技术始终是一大难题。现有的光检测跟踪技术主要有位置传感检测器PSD技术、CCD技术，普遍较复杂，易受阴云、灰尘等外界环境的影响，而且成本较高。 本作品研发一种新型聚光发电装置，通过自动追日跟踪和太阳光聚光，以达到提高光伏电板发电效率、降低发电成本的目的，并解决现有的聚光发电装置中聚集光不均匀、光伏电板局部受热不均和红外线聚集发热严重、追日跟踪稳定性差的问题，延长光伏电板使用寿命，为太阳能发电产业提供一种新设备。
