精密太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)

1、自動跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術(shù) 時間：2005-5-17 11:19:00 來源：未知 作者：孫迎光 精密太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)，其單機(jī)發(fā)電能力為0.3-1.5kW，將單機(jī)組成陣列可構(gòu)成大功率的發(fā)電系統(tǒng)。采用聚光太陽電池的好處是光電轉(zhuǎn)換效率高，并且價格低（聚光太陽電池轉(zhuǎn)換效率為18%-30%比普通太陽電池高的多，1cm2 的聚光電池在標(biāo)準(zhǔn)光強(qiáng)下聚光度為400-600倍聚光后，輸出功率達(dá)6-10W以上，而同等面積的平板式太陽電池輸出功率僅 12-14W）。普通平板式太陽電池的造價為 45-65/W，而聚光太陽電池的造價要低得多，并且，同功率的精確跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)比固定型光伏發(fā)電系統(tǒng)每

2、天多發(fā)電50%。由于聚光電池的受光面只有同功率的普通光電池幾百分之一，因此可以大大節(jié)約單晶硅的用量，即同面積的單晶硅片若制成聚光電池，發(fā)電量將提高數(shù)百倍。1 精密太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電 系統(tǒng)組成 系統(tǒng)由聚光電池陣列、架體、方位和仰角驅(qū)動器、跟蹤器、控制器組成，如圖 1。1.1 聚光電池陣列 聚光電池陣列（見圖1 中的序號3）由若干聚光電池串并聯(lián)構(gòu)成，若干陣列的串并聯(lián)還可構(gòu)成不同規(guī)模的聚光發(fā)電系統(tǒng)。聚光電池、散熱器和費(fèi)涅爾透鏡固定在陣列支架上，陣列支架既要求十分平整，支架上的聚光電池保持在同一平面和相互平行的平面內(nèi)，又要求具有抗七、八級風(fēng)的能力，同時還要有避雷措施。圖1精密太陽能自動跟蹤聚

3、焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成Page1.2驅(qū)動器 驅(qū)動器（圖 1 中的序號4-17）由方位和仰角驅(qū)動電機(jī)及減速齒輪組成，聚光電池陣列必須采用高精度跟蹤系統(tǒng)，并且雙軸自動跟蹤（見圖 2）。圖 2 高精度雙軸自動跟蹤系統(tǒng)電原理如圖2所示，端子 X、Y 是全向光源跟蹤探測器的水平方位角偏差信號，Z 是垂直方位角偏差信號。這兩個偏差信號經(jīng)精密運(yùn)算放大器TLC27L7放大后（根據(jù)跟蹤精度來確定放大倍數(shù)K），送入PIC16C711單片機(jī)的A 口，經(jīng) PIC16C711內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，由軟件設(shè)定啟動電機(jī)跟蹤角度值和其他功能（例如：晝夜控制、陰雨天控制、過云控制、大風(fēng)控制等）。PIC16C711

4、的B口輸出跟蹤控制信號，該信號放大后驅(qū)動繼電器，再由功率繼電器控制水平和垂直轉(zhuǎn)動的電機(jī)。 當(dāng)聚光比為400時，其跟蹤精度應(yīng)小于 0.2度。因?yàn)樘栆苿雍苈?，?qū)動器的轉(zhuǎn)速設(shè)計為：水平方向 4h一周，垂直方向 1h一周。因?yàn)殡姍C(jī)的轉(zhuǎn)速比很高（水平 :垂直:1），所以可大大減小電機(jī)的功率。1.3跟蹤器 跟蹤器（圖 1 中的序號 19）采用微處理器對從傳感器送來的信號進(jìn)行比較和處理，控制隨動電機(jī)按所要求的方向轉(zhuǎn)動，以滿足跟蹤要求。 另外跟蹤器還要求： （1）工作可靠，保證電池陣列在白天任何時刻都正對太陽； （2）夜間自動返回原始位置； （3）遇到大風(fēng)時可使電池陣列順向； （4）具有保護(hù)功能，當(dāng)傳動機(jī)構(gòu)

5、失效時，能使電池陣列停止運(yùn)轉(zhuǎn)； （5）自身功耗小。由于電機(jī)功率很小，耗電不大，加上夜間陣列自動返回，兩個電機(jī)功率不超過總發(fā)電功率的 1%。1.4 傳感器 跟蹤器所用傳感器（圖 1 中的序號 1、序號 2）有三種：方位和仰角太陽傳感器，風(fēng)力傳感器，日光開關(guān)。 太陽傳感器是把聚光電池陣列法線偏離太陽光線的角度信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕难b置，它是跟蹤系統(tǒng)的重要部件，在很大程度上決定跟蹤的精度。太陽傳感器測量太陽的方位，如有偏向，通過驅(qū)動電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使電池陣列對準(zhǔn)太陽。 風(fēng)力傳感器采用感應(yīng)式器件，當(dāng)風(fēng)力達(dá)到一定強(qiáng)度（如8級風(fēng)）時，控制器控制仰角驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，使陣列向水平方向運(yùn)行，直到陣列受力最小為止。在這種狀況

6、下，仰角驅(qū)動電機(jī)，不受方位太陽傳感器控制。 日光開關(guān)也是采用光敏器件，使白天太陽能電池陣列受方位太陽傳感器控制而運(yùn)轉(zhuǎn)；夜間，陣列不受方位太陽傳感器控制，而僅受日光開關(guān)控制向東方向運(yùn)行，即陣列返回到早晨初始位置。1.5交直流控制系統(tǒng)及其它配套設(shè)備 直流控制系統(tǒng)功能有防反充、防過充、防過放以及過載保護(hù)、電量計量等。配套設(shè)備有逆變器（逆變效率達(dá) 729以上）；蓄電池（密封式）。Page2 聚光電池模塊 聚光電池模塊由聚光太陽電池組件、旁路二極管、反射器、聚光器、散熱器及殼體組成。模塊是基本發(fā)電單元，它由12個電性能基本一致的太陽電池組件構(gòu)成，其標(biāo)稱輸出功率為75W，它可以獨(dú)立使用，也可以由若干模塊串

7、并聯(lián)構(gòu)成數(shù)千到數(shù)萬千瓦不同規(guī)模的發(fā)電陣列。 聚光太陽電池組件是模塊最主要的關(guān)鍵部件，它與一般太陽電池不同，是一種專門設(shè)計和制造的聚光太陽電池。 旁路二級管的作用為：當(dāng)某些電池組件由于被遮擋見不到陽光或發(fā)生故障而不能正常發(fā)電時，該二極管便提供通路，使其它與之串聯(lián)的電池組件不受影響。在模塊內(nèi)所有電池組件正常工作時，旁路二極管不起作用，因而不影響模塊輸出功率。反射器的作用是保護(hù)模塊內(nèi)電池導(dǎo)線不受強(qiáng)光照射而發(fā)生燒焦現(xiàn)象，從而保證模塊有良好的電性能和絕緣性能。由于聚光400倍的太陽光強(qiáng)度非常大，若不加保護(hù)，當(dāng)早晨開機(jī)時，陣列處于非跟蹤狀態(tài)，或者跟蹤系統(tǒng)發(fā)生故障而停機(jī)檢修時，太陽光斑偏離電池組件很容易把導(dǎo)

8、線絕緣膠燒焦。 太陽聚光器采用拆射式聚光器菲涅爾透鏡，它是利用光在不同介質(zhì)的界面發(fā)生拆射的原理制成的，具有與一般球面透鏡相同的作用。特點(diǎn)是直徑很大的菲涅爾透鏡可以做的很薄，與球面透鏡相比可大大減輕透鏡的重量。 菲涅爾透鏡也是聚光電池模塊的主要部件，具有體積小、重量輕、加工方便、透光率高等特點(diǎn)。菲涅爾透鏡一方面對太陽光進(jìn)行聚焦，另一方面對電池組件也起保護(hù)作用。它是電池模塊外罩的一部分，電池組件的散熱器位于電池外罩的陰影里（正常跟蹤狀態(tài)），不被太陽光直射，因而便于散熱，使電池的溫度低，效率較高。 殼體起支撐和散熱作用。在太陽電池工作時，產(chǎn)生的熱量通過銅散熱器傳到殼體，再通過輻射和對流方式將熱量散掉

9、，以保持太陽電池溫度不超過80。聚光太陽電池組件模塊的結(jié)構(gòu)由圖3所示： 圖3聚光太陽電池組件模塊的結(jié)構(gòu)聚光太陽電池組件模塊由聚光太陽電池片、散熱器、費(fèi)涅爾透鏡、支架等組成。 聚光太陽電池片是發(fā)電模塊的心臟。樣機(jī)使用的聚光電池片有效面積為 10.3mm10.3mm平均轉(zhuǎn)換效率18%每片標(biāo)稱輸出功率 6.25W,開路電壓大于 0.7V，短路電流可達(dá) 10A以上。電池柵線及背面電極均蒸鍍鈦、鈀、銀。電池正極與散熱器連接，引出線為底連線。電池負(fù)極引出線為頂連線。 由于聚光倍率很高，散熱問題不可忽視，否則輸出功率將受到很大影響。太陽電池工作時產(chǎn)生的熱量首先傳給散熱器，然后傳給模塊殼體，二級傳熱結(jié)果要保證

10、電池組件工作溫度不超過80，所以散熱器要采用導(dǎo)熱良好的材料。 在裝配電池組件之前，散熱器要在專用設(shè)備中進(jìn)行預(yù)熔焊膏。頂連線與電池的連接也是在專用設(shè)備的保護(hù)下進(jìn)行熱壓焊，以保證良好的接觸和焊接的均勻性。檢查焊接質(zhì)量采用超聲波檢測儀，檢測結(jié)果用圖形及相應(yīng)數(shù)字或者百分比的方式顯示。檢查頂連線焊接質(zhì)量采用拉力試驗(yàn)方法。Page3太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成 如圖4所示，太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽電池方陣、蓄電池組、直流控制器、直流交流逆變器、交流配電柜和備用電源系統(tǒng)（包括柴油發(fā)電機(jī)組和整流充電柜）等組成。系統(tǒng)的工作原理是：太陽電池方陣經(jīng)過直流控制柜向蓄電池組充電。充到蓄電池組的上限電壓后，由直流控制柜執(zhí)行自動停充，

11、將太陽電池方陣切離充電回路。當(dāng)蓄電池組電壓回降至下限電壓時，再將太陽電池方陣接入充電回路恢復(fù)充電。蓄電池組均通過直流控制柜向直流交流逆變器供電。經(jīng)由逆變器將直流電變換成單相或三相交流電，再通過交流配電柜向輸電線路供電。當(dāng)蓄電池組的電壓下降至過放電電壓時，為不造成蓄電池組的過放電，直流控制柜將自動切斷輸出，直流交流逆變器停止工作。 圖 4 太陽能發(fā)電系統(tǒng)的組成 太陽能發(fā)電系統(tǒng)是有備用電源的發(fā)電系統(tǒng)，以太陽電池發(fā)電為主，配備1臺柴油發(fā)電機(jī)組作為備用電源，以便在必要時通過整流充電柜為蓄電池組充電，也可以在光伏發(fā)電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時直接通過交流配電柜向輸電線路供電。逆變器和柴油發(fā)電機(jī)組不能同時向輸電線路送

12、電，由交流配電柜的互鎖功能來保證供電的唯一性。4技術(shù)的先進(jìn)性 太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)是采用聚焦的方式將太陽光的光能密度大大提高（400倍以上），可使太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提高，在小面積的單晶硅片上獲得大的電流。太陽光的聚焦可采用費(fèi)涅爾透鏡或拋物面反射鏡，太陽能聚光電池的散熱可采用大面積的散熱片自然冷卻，也可采用循環(huán)水冷將熱量二次利用（但此裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜）。太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是精確跟蹤太陽，其聚光比越大跟蹤精度要求就越高，聚光比為400時跟蹤精度要求小于0.2度。在一般情況下跟蹤精度越高其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，造價就越高，甚至造價高于光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電池的總造價。 由我公司

13、研制的跟蹤探測器，其特點(diǎn)是廉價、精度高、沒有溫度漂移、工作穩(wěn)定、可靠。當(dāng)該跟蹤探測器采用造價低廉結(jié)構(gòu)時，跟蹤精度為0.01度時可穩(wěn)定工作。當(dāng)該跟蹤探測器采用造價較高結(jié)構(gòu)時，跟蹤精度為 0.001度時可穩(wěn)定工作。目標(biāo)的偏差量以輸出連續(xù)線性電壓或電流方式，輸出有+、-、0 三種狀態(tài)電壓或電流值。當(dāng)跟蹤探測器對準(zhǔn)光源時輸出為 0，分別以兩個相反方向偏離光源時，輸出分別為 +或-值，并且輸出值隨偏離光源角的增加而增加。在0偏離角附近，輸出值隨偏離角變化較快，因此探測器的靈敏度較高若偏差量為輸出電壓方式，并定為一度?？捎糜诠I(yè)、民用等需要低精度跟蹤方面，例如太陽能光電和光熱方面的應(yīng)用，而且，特別適用于高

14、效太陽能發(fā)電系統(tǒng)。 由于太陽能發(fā)電裝置用的拋物面反射鏡精度很高，焦點(diǎn)直徑一般小于10mm因此要求跟蹤驅(qū)動裝置的精度很高。目前國外的高精度跟蹤驅(qū)動裝置價格昂貴，不能推廣應(yīng)用。而采用該光源跟蹤探測器組成的控制跟蹤驅(qū)動裝置的價格很低，價格只有國外的幾百分之一，因此可使高效太陽能發(fā)電裝置得以推廣應(yīng)用。5 太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)適用性太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)中的自動跟蹤聚焦系統(tǒng)，由于其不僅可應(yīng)用于專用的太陽能聚光電池，也適用于普通太陽能電池，至少可將普通太陽能電池的發(fā)電能力提高 10倍以上，也就是說可以降低采用普通太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)的造價。由于自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)始終跟蹤太陽，能夠始終接受太陽光的最大能量，因此該光伏發(fā)電系統(tǒng)比普通同峰值功率德太陽能電池發(fā)電系統(tǒng)多發(fā)電 30%-50%，也就是說又進(jìn)一步地降低了發(fā)電成本。 該太陽能自動跟蹤聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)機(jī)械傳動裝置結(jié)構(gòu)簡單牢固，跟蹤精度高，制造成本低，發(fā)電效率高（國際上高效聚光光伏電池效率已達(dá) 32%），發(fā)電量大，安裝容易，因此具有很強(qiáng)的適用性和市場競爭力。 光伏發(fā)電系統(tǒng)中的自動跟蹤聚焦系統(tǒng)可持續(xù)產(chǎn)生很高溫度，因此也適用于