基本信息
- 項目名稱：
- 家用太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)
- 小類：
- 能源化工
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本作品開發(fā)了一套高效家用太陽能發(fā)電裝置；該裝置通過對太陽能吸收和存儲環(huán)節(jié)的改進和創(chuàng)新，實現(xiàn)太陽能的高效吸收和快速存儲，從而為各類家庭電器提供穩(wěn)定電源。將單片機控制技術、傳感器技術、機械傳動原理、DA/AD技術、模擬放大及逆變升壓技術等綜合運用，較理想地實現(xiàn)了太陽能電池板對太陽光的自動跟蹤和電池板的最大功率自動跟蹤，并有完善的外部輸出接口。
- 詳細介紹：
- 太陽能作為一種清潔無污染的能源，其發(fā)展前景非常廣闊。然而它存在著間歇性、光照方向和強度隨時間和季節(jié)不停變化的問題，這就對太陽能的收集和利用提出了更高的要求。目前大多數(shù)的太陽能發(fā)電板陣列都是固定不動的，不能充分地利用太陽能資源。根據(jù)理論推導和實驗驗證，在太陽能光伏發(fā)電中，采用自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備提高發(fā)電量35%以上。因此在太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，進行太陽方位的跟蹤十分必要。本作品通過對傳統(tǒng)的太陽能吸收和存儲兩個環(huán)節(jié)的創(chuàng)新和改進，實現(xiàn)對太陽能的高效吸收和快速存儲，從而為家庭各種小型電器提供穩(wěn)定工作能源。由于太陽的位置時刻都在變化，要想在太陽光能電池板上得到最大輸出功率，就必須要太陽能電池板隨時跟隨太陽的運動軌跡運動，才能保證太陽光始終垂直照射到太陽電池板上。利用太陽光自動跟蹤控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)太陽光始終垂直照射到太陽能電池上這一目的。本項目研制開發(fā)的家用太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽能電池板對太陽能的有效收集，必須實現(xiàn)太陽方位的自動跟蹤以及太陽能電池板的最大功率自動跟蹤。儲電模塊采用蓄電池和法拉電容結合的方式，根據(jù)當?shù)仃柟廨椛淝闆r、家庭電器負載總功率的大小以及每天工作時間選擇相應輸出功率的太陽能電池板、儲電模塊，并設計相應的充電電路。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 本作品的設計目的是為了開發(fā)一家用、高效太陽能發(fā)電裝置，主要通過對太陽能吸收和存儲環(huán)節(jié)的改進，實現(xiàn)太陽能的高效吸收和快速存儲，為各類家庭電器提供穩(wěn)定電源。 創(chuàng)新點： 1、研制了管式八點半球形光電方位傳感器：加不透明擋板以提高光吸收準確度；四個方向各有兩個不同方向、高低錯開的光敏電阻，以提高傳感靈敏度。 2、儲電模塊采用蓄電池和法拉電容結合的方式，根據(jù)家庭用電量需求采取不同的儲電模塊。 3、本作品成品體積小，安裝方便，易與現(xiàn)代房屋結構相融合。 技術關鍵： 1、自動跟蹤系統(tǒng)傳感器組件的制作，大幅度提高光接收準確度及靈敏度，有效避免外界雜光干擾。 2、自動跟蹤器控制系統(tǒng)作，包括DC/DC變換和電源管理、系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換、光電傳感器信號處理電路、步進電機控制以及驅(qū)動、單片機控制系統(tǒng)軟件程序的編寫。 3、采用模糊參數(shù)自校正PID算法的光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤控制，將MPPT技術應用于太陽能電池板對蓄電池/法拉電容的充電。 主要技術指標： 1、水平跟蹤范圍：-85°～+85°;水平跟蹤靈敏度：0.1°;跟蹤范圍：-90°～+90°;豎直跟蹤靈敏度：0.9°;內(nèi)部DC-DC變換效率：≥85﹪;跟蹤器功耗：調(diào)整時≤5W;待機時≤1W 2、法拉電容：電容：20.0F;額定電壓：2.7V;額定放電容量：20.0F;最大直流電阻：60 mΩ 0.1A;尺寸：16×27 mm ΦD×L
科學性、先進性
- 1、管式八點半球形光電方位傳感器，相比現(xiàn)有傳感器抗干擾能力和跟蹤精度更高。 2、芯片組：用LM324N四運放構成比較器，將0/1信號送入控制系統(tǒng)，簡化程序設計。用LM2575-5開關型穩(wěn)壓芯片，使電源轉(zhuǎn)換效率達到88%[1]。用專用步進電機控制芯片L297[2]和驅(qū)動芯片L298[3]，大幅度提高運動精度。用AT89S52單片機，ISP編程，使程序調(diào)試簡單便捷，內(nèi)置看門狗電路增強系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。 3、儲電模塊：當家庭用電量小時，使用法拉電容（使用壽命長、無污染）[5]；當用電量大時，采用蓄電池（成本低）。 [1]National Semiconductor. LM2575芯片手冊. [2]ST Microelectronics.L297芯片手冊. [3]ST Microelectronics.L298芯片手冊. [4]ATMEL.AT89S52芯片手冊 [5]廣州溢洋電子科技有限公司, 法拉電容.2006
獲獎情況及鑒定結果
- 1、“全自動太陽能電池跟蹤系統(tǒng)”部分于2010年11月獲由江蘇省物理學會頒發(fā)的“江蘇省高校第七屆大學生物理及實驗科技作品創(chuàng)新競賽二等獎”； 2、“法拉電容”對太陽能電池儲能部分于2009年11月獲由江蘇省物理學會頒發(fā)的“江蘇省高校第六屆大學生物理及實驗科技作品創(chuàng)新競賽二等獎”。
作品所處階段
- 中試階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 專利轉(zhuǎn)讓或技術入股
作品可展示的形式
- 實物、產(chǎn)品；模型；圖紙；現(xiàn)場演示；圖片
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 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動跟蹤太陽方位。充電結束后，可通過其220V交流插口供電。 技術特點和優(yōu)勢： 1、研制基于管式八點半球形光電方位傳感器的光源自動跟蹤裝置，通過對內(nèi)部DC/DC、電源管理、步進電機以及單片機控制系統(tǒng)的設計、制作和優(yōu)化以實現(xiàn)裝置對太陽方位的精確確定。 2、使用專業(yè)步進電機驅(qū)動，節(jié)能、穩(wěn)定、可靠；采用最優(yōu)化運動控制，有效節(jié)能；增加智能模糊跟蹤，在陰雨天氣能夠進行有效跟蹤。 3、傳統(tǒng)太陽能吸收裝置，每天正常發(fā)電時間約3小時。而本裝置正常發(fā)電時間為8～12小時，發(fā)電量是固定式太陽能的1.4～1.7倍；本裝置只需要一半功率的太陽能電池板，便可達到相同儲能效果。 適應范圍和推廣前景： 可廣泛應用于家庭、企業(yè)、公共事業(yè)等領域作為輔助能源，亦可應用于太陽能電站用于并網(wǎng)發(fā)電。太陽能的推廣與應用已成為一種趨勢，本作品具有個性化、易商品化的特點，可根據(jù)家庭日常用電量實行個性化定制，易與現(xiàn)代房屋結構相結合。
同類課題研究水平概述
- 本項目研制開發(fā)的家用太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽能電池板太陽方位的自動跟蹤實現(xiàn)了電池板對太陽能的有效收集以及太陽能電池板的最大功率輸出。本系統(tǒng)將單片機控制技術、傳感器技術、機械傳動原理、DA/AD技術、模擬放大及逆變升壓技術等綜合運用，較理想地實現(xiàn)了太陽能電池板對太陽光的自動跟蹤和電池板的最大功率輸出，并有完善的外部輸出接口。 經(jīng)檢索國內(nèi)相關文獻:王巖針提出了一種基于模糊參數(shù)自校正PID控制實現(xiàn)最大功率點跟蹤的方法，仿真表明該方法能夠很好的處理好控制精度和速度這一矛盾，使光伏系統(tǒng)始終輸出最大功率;劉健將模糊控制和傳統(tǒng)PID結合應用到光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的控制當中，并采用Cuk變換器實現(xiàn)MPPT功能;喬興宏提出了一種基于模糊控制，具有在線參數(shù)調(diào)整的自適應占空比擾動法;朱騰采用改進的步進式擾動觀察最大功率點算法，來尋找太陽電池陣列的最大功率點，使系統(tǒng)在任何溫度和日照條件下都能跟蹤太陽電池的最大功率，最后提出了較為先進的模糊控制算法及其具體的設計步驟，設計中采用了雙環(huán)控制系統(tǒng)，電壓環(huán)采用了DC/DC的升降壓變換電路用來保持電力系統(tǒng)的恒電壓輸出，其中使用了離散型增量式PID算法來對電壓進行控制；中國專利200910117269.7設計一種太陽能應用領域太陽能追日系統(tǒng)的位置傳感器，產(chǎn)品殼體上設置防護玻璃，內(nèi)部安裝錐形反光罩，下端安裝扇形光電器件和電路板；中國專利201010553981.4涉及一種適用于太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的追光傳感器，座體具有一個上平面（水平）和三個側(cè)平面（傾斜角一致），分別安裝相同的傳感元件。 本項目綜合運用D/A芯片級逆變技術、模糊參數(shù)自校正（PID）算法以及光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤（MPPT）控制技術對蓄電池或法拉電容進行充電儲能，太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)采用管式結構的八點半球形光電方位傳感器，在國內(nèi)文獻中未述及。 法拉電容作為能量存儲元件，具有充電速度快、體積小，可大電流充放電、使用周期長、功率密度高、充放電線路簡單、安全性好、超低溫性好、檢測方便以及環(huán)保等特點。當家庭用電量大時，出于價格的考慮，可以選擇蓄電池作為儲能模塊以達到節(jié)約成本的目的。
