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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
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(shù)、傳感器技術(shù)、機械傳動原理、DA/AD技術(shù)、模擬放大及逆變升壓技術(shù)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(xì)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(dǎo)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(shè)備要比固定發(fā)電設(shè)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(jié)合的方式，根據(jù)當(dāng)?shù)仃柟廨椛淝闆r、家庭電器負(fù)載總功率的大小以及每天工作時間選擇相應(yīng)輸出功率的太陽能電池板、儲電模塊，并設(shè)計相應(yīng)的充電電路。

作品圖片

  • 家用太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)
  • 家用太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)
  • 家用太陽能自動跟蹤光伏發(fā)電系統(tǒng)
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作品專業(yè)信息

設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

本作品的設(shè)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(zhǔn)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(jié)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(jié)構(gòu)相融合。 技術(shù)關(guān)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(zhǔn)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(shù)應(yīng)用于太陽能電池板對蓄電池/法拉電容的充電。 主要技術(shù)指標(biāo)： 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(xué)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(gòu)成比較器，將0/1信號送入控制系統(tǒng)，簡化程序設(shè)計。用LM2575-5開關(guān)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(dāng)家庭用電量小時，使用法拉電容（使用壽命長、無污染）[5]；當(dāng)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(jié)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(xué)會頒發(fā)的“江蘇省高校第七屆大學(xué)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(xué)會頒發(fā)的“江蘇省高校第六屆大學(xué)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(shù)轉(zhuǎn)讓方式

專利轉(zhuǎn)讓或技術(shù)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(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)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(jié)束后，可通過其220V交流插口供電。 技術(shù)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(shè)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(yīng)范圍和推廣前景： 可廣泛應(yīng)用于家庭、企業(yè)、公共事業(yè)等領(lǐng)域作為輔助能源，亦可應(yīng)用于太陽能電站用于并網(wǎng)發(fā)電。太陽能的推廣與應(yīng)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(jié)構(gòu)相結(jié)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(shù)、傳感器技術(shù)、機械傳動原理、DA/AD技術(shù)、模擬放大及逆變升壓技術(shù)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(guān)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(jié)合應(yīng)用到光伏發(fā)電系統(tǒng)最大功率點跟蹤的控制當(dāng)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(yīng)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(shè)計步驟，設(shè)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(shè)計一種太陽能應(yīng)用領(lǐng)域太陽能追日系統(tǒng)的位置傳感器，產(chǎn)品殼體上設(shè)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(shù)、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(shù)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(jié)構(gòu)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(dāng)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。
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