題-1_100_100.jpg)
基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 雙拋物面均勻反射聚光跟蹤光伏發(fā)電供熱裝置
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 本作品屬聚光型光伏發(fā)電供熱系統(tǒng)，主要由聚光子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)、伺服跟蹤子系統(tǒng)組成。聚光子系統(tǒng)采用雙拋物面均勻反射新型聚光方法，可獲得高平行度、高聚光比的匯聚光；冷卻子系統(tǒng)采用濾紅外線和水冷法相結(jié)合的新型冷卻技術(shù)，改善對光伏電板的降溫效果；伺服跟蹤子系統(tǒng)采用太陽軌跡跟蹤的日歷法結(jié)合光伏電板功率擾動(dòng)爬山法的新型無光傳感器組合跟蹤策略，減少光檢測元件的硬件投資，提高跟蹤速度，增強(qiáng)跟蹤的穩(wěn)定性和抗擾能力。
- 詳細(xì)介紹：
- 本系統(tǒng)主要由光伏電板、小拋物面型反射板、大拋物面型反射板、紅外濾光片、水冷型金屬導(dǎo)熱片、冷水水箱、儲(chǔ)熱水箱、東西偏角調(diào)節(jié)伺服底盤、迎光仰角調(diào)節(jié)伺服轉(zhuǎn)軸、伺服控制電路、時(shí)鐘日歷電路和功率檢測電路等組成。大、小兩個(gè)拋物面型反射板凹面相對安裝放置，且兩者的法軸線共線、焦點(diǎn)重合；紅外濾光片放置在兩拋物面型反射板焦點(diǎn)的前后附近，且其法軸線與兩個(gè)拋物面型反射板的法軸線共線；光伏電板固定在大拋物面型反射板的凹面底部；光伏電板電壓輸出端通過導(dǎo)線與電壓檢測電路相連接；大拋物面型反射板安裝在東西偏角調(diào)節(jié)伺服底盤上方，并通過支承部件與迎光仰角調(diào)節(jié)伺服轉(zhuǎn)軸相連接；東西偏角調(diào)節(jié)伺服底盤和迎光仰角調(diào)節(jié)伺服轉(zhuǎn)軸各自采用一套步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，所述兩套步進(jìn)電機(jī)均與伺服控制電路相連接；伺服控制電路還需與時(shí)鐘日歷電路和功率檢測電路相連接；光伏電板背面緊貼安裝水冷型金屬導(dǎo)熱片，后者與冷水水箱和儲(chǔ)熱水箱相連接；儲(chǔ)熱水箱進(jìn)水口處安裝溫控閥門。 本系統(tǒng)采用基于混合跟蹤策略（日歷法結(jié)合功率擾動(dòng)爬山法）的無光傳感器太陽光自動(dòng)跟蹤方法以及兩軸伺服運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)自動(dòng)追蹤太陽。當(dāng)拋物面的法向軸線對準(zhǔn)太陽后，通過大拋物面聚光、小拋物面散光和紅外濾光功能部件，將太陽入射光變換成一束均勻、平行且無紅外波長的高強(qiáng)度光，垂直照射到光伏電板上，水冷卻部件起到對光伏電板的輔助降溫作用，避免光伏電板局部受熱和紅外線聚集發(fā)熱的問題；作品具有整機(jī)單位面積發(fā)電效率和發(fā)電量高，單位功率造價(jià)低，光伏電板壽命長，動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 拋物面的法向軸線對準(zhǔn)太陽后，平行于拋物面法向軸線的太陽光經(jīng)大拋物面型反射板反射后聚集在一條焦線上，并通過拋物面焦點(diǎn)附近的紅外濾光片，濾去了絕大部分紅外線。通過濾光片的匯聚太陽光因過小拋物面的焦點(diǎn)，經(jīng)小拋物面型反射板反射后變?yōu)槠叫袇R聚的太陽光，均勻地投射到光伏電板上。光伏電板所發(fā)的電通過電線引出，既可處理后直接使用，也可儲(chǔ)存在蓄電池中或并網(wǎng)使用。光伏電板產(chǎn)生的熱量，被其背面安裝的水冷型金屬散熱細(xì)管內(nèi)的水吸收，當(dāng)細(xì)管內(nèi)的水達(dá)到一定的溫度，溫控水閥自動(dòng)開關(guān)，使得外部冷水流入散熱細(xì)管，內(nèi)部熱水流出到外部儲(chǔ)熱水箱，以供生活和生產(chǎn)使用。 為了節(jié)約控制機(jī)構(gòu)的功耗，帶動(dòng)?xùn)|西偏角和迎光仰角轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)來跟蹤太陽，本作品配置斷電自動(dòng)鎖死功能的電磁抱剎機(jī)構(gòu)，以保證電機(jī)斷電后，兩軸伺服機(jī)構(gòu)保持原位。 伺服控制電路內(nèi)部存儲(chǔ)了裝置安裝地點(diǎn)在不同月、日、時(shí)條件下的裝置太陽光跟蹤所需的姿態(tài)角度，包括東西偏角和迎光仰角。伺服控制電路先通過時(shí)鐘日歷電路給出的時(shí)間信息來驅(qū)使東西偏角調(diào)節(jié)伺服底盤和迎光仰角調(diào)節(jié)伺服轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)大拋物面型反射板跟蹤太陽光直射位置的粗調(diào)，再通過功率檢測電路給出的光伏電板實(shí)時(shí)功率信息，應(yīng)用爬山法微調(diào)東西偏角調(diào)節(jié)伺服底盤和迎光仰角調(diào)節(jié)伺服轉(zhuǎn)軸的位置，以實(shí)現(xiàn)大拋物面型反射板跟蹤太陽光直射位置的準(zhǔn)確細(xì)調(diào)。伺服控制電路每間隔5-10分鐘進(jìn)行一次裝置跟蹤太陽光的粗調(diào)和細(xì)調(diào)動(dòng)作，以保證本系統(tǒng)跟蹤太陽的準(zhǔn)確性。 為了增強(qiáng)系統(tǒng)的可操作性，本系統(tǒng)控制器增配有無線數(shù)據(jù)通訊接口。通過此接口，操作人員可以通過遠(yuǎn)程無線通訊的方式，在遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)上實(shí)時(shí)獲取本系統(tǒng)安裝現(xiàn)場的運(yùn)行姿態(tài)和發(fā)電參數(shù)，也可利用遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)向控制器發(fā)送控制參數(shù)（如模糊智能決策邏輯規(guī)則，允許迎光角度偏差和各種閥值參數(shù)等）和控制命令（如停機(jī)、復(fù)位和強(qiáng)制定位等），以方便操作人員對本系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和安裝調(diào)試。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的： 設(shè)計(jì)一種新型的聚光光伏發(fā)電供熱裝置，及一種無光傳感器的高效追日跟蹤策略。 基本思路： [1]采用采用大拋物面聚光和小拋物面均勻反射散光的組合式設(shè)計(jì)聚光子系統(tǒng)； [2]采用紅外濾光片和水冷法相結(jié)合的降溫技術(shù)設(shè)計(jì)冷卻子系統(tǒng)； [3]采用混合追日跟蹤策略（日歷法結(jié)合功率擾動(dòng)爬山法）設(shè)計(jì)伺服跟蹤控制子系統(tǒng)； [4]采用雙軸跟蹤、斷電抱剎、簡單協(xié)調(diào)的構(gòu)架思想設(shè)計(jì)裝置結(jié)構(gòu)； [5]采用無線遠(yuǎn)程通訊技術(shù)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 創(chuàng)新點(diǎn)： [1]雙拋物面均勻反射聚光和散光的組合式聚光光伏發(fā)電方法。該方法可提高聚光度，并保證聚集的太陽光均勻地射到光伏電板上，延長電池的使用壽命； [2]太陽軌跡跟蹤日歷法結(jié)合光伏電板功率擾動(dòng)爬山法的新型無光傳感器組合追日跟蹤策略。該策略可減少光檢測元件的硬件投資，提高跟蹤速度，增強(qiáng)裝置對太陽跟蹤的穩(wěn)定性和抗擾能力； [3]一種優(yōu)化的高效紅外濾光片應(yīng)用方法。該方法可在提高散熱效果的同時(shí)，減少濾光片的用量，節(jié)約成本。 技術(shù)關(guān)鍵： [1]由于采用拋物面聚光和散光，因此要求較高的雙拋物面加工和安裝精度； [2]采用日歷法和爬山法混合跟蹤策略，需要建立裝置安裝現(xiàn)場的年太陽軌跡數(shù)據(jù)庫； [3]裝置在惡劣環(huán)境及故障狀態(tài)下的保護(hù)與容錯(cuò)機(jī)制。 主要技術(shù)指標(biāo)： [1]聚光比為5； [2]兩軸自動(dòng)追日跟蹤； [3]跟蹤精度小于0.5°； [4]無線通信距離為1km； [5]樣機(jī)工作溫度-10~70℃； [6]抗風(fēng)等級小于10級。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- [1] 基于雙拋物面的高倍聚光和均勻散光特性，即大拋物面高倍聚光、小拋物面均勻反射散光方式，在提高聚光度的同時(shí)，能保證聚集的太陽光均勻地射到光伏電板上，延長電池的使用壽命； [2] 基于日歷法結(jié)合功率擾動(dòng)爬山法的無光傳感器混合跟蹤策略，日歷法實(shí)現(xiàn)跟蹤粗調(diào)，爬山法實(shí)現(xiàn)跟蹤細(xì)調(diào)，提高了跟蹤速度，降低硬件成本，增強(qiáng)了裝置對太陽跟蹤的穩(wěn)定性和抗擾能力； [3] 基于紅外濾光和水冷的復(fù)合式光伏板散熱方法，紅外濾光片放置在兩拋物面的焦點(diǎn)上或焦點(diǎn)附近，在提高散熱效果的同時(shí)，減少濾光片的用量，節(jié)約成本； [4] 基于斷電自動(dòng)電磁抱剎和間歇式模糊智能伺服控制策略，系統(tǒng)高效節(jié)電，降低跟蹤功耗，剔除外界干擾； [5] 基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)，增加了裝置運(yùn)行的可控性和柔性，降低了人工現(xiàn)場維護(hù)的勞動(dòng)成本； [6] 基于簡單協(xié)調(diào)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提高了整機(jī)結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定能，進(jìn)一步降低了兩軸伺服跟蹤運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)功耗，靜態(tài)保持力矩功耗為零，具有較高的性價(jià)比。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- [1]2010年11月，在某省高校第七屆大學(xué)生物理及實(shí)驗(yàn)科技作品創(chuàng)新競賽中獲“特等獎(jiǎng)”； [2]2010年12月，在某大學(xué)第三屆大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競賽中獲“特等獎(jiǎng)”。
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段。
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 技術(shù)服務(wù)和咨詢、合作生產(chǎn)。
作品可展示的形式
- 實(shí)物、現(xiàn)場演示。
使用說明,技術(shù)特點(diǎn)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(jì)效益預(yù)測
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢：聚光光束均勻，聚光比高，無光伏電板局部受熱和紅外線聚集發(fā)熱的問題；采用無光傳感器自動(dòng)跟蹤策略，抗擾能力強(qiáng)，跟蹤速度快；簡單協(xié)調(diào)的整機(jī)結(jié)構(gòu)，剛度強(qiáng)，靜態(tài)保持功耗低。整機(jī)具有單位面積發(fā)電效率高，單位功率造價(jià)低，壽命長，穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。 適用范圍：適用于我國絕大部分地區(qū)的光伏發(fā)電產(chǎn)熱應(yīng)用，可配置成為家庭型和企業(yè)型的系列產(chǎn)品。 市場分析：聚光發(fā)電是在高效光伏電池材料尚未出現(xiàn)的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀下，促進(jìn)太陽能進(jìn)一步廣泛應(yīng)用的主要設(shè)計(jì)思路和研究應(yīng)用途徑。因此，作品以降低光伏發(fā)電成本為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)出的聚光光伏設(shè)備，具有良好的市場推廣潛力。 效益預(yù)測：現(xiàn)今光伏設(shè)備成本約為15元/W，以1kW為例，傳統(tǒng)光伏設(shè)備成本約為1.5萬元。本作品按批量生產(chǎn)計(jì)算，則1kW裝置投資預(yù)測為：光伏電板3750元、聚光和紅外濾光材料750元、驅(qū)動(dòng)及控制器2950元、機(jī)械及外圍附件2000元、其他400元，合計(jì)：9850元。因此，同樣1kW發(fā)電設(shè)備，本作品可比傳統(tǒng)光伏發(fā)電設(shè)備節(jié)約5000元左右。
同類課題研究水平概述
- 新能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展最具決定力的技術(shù)領(lǐng)域之一，太陽能發(fā)電不產(chǎn)生任何廢棄物，無污染，無噪聲，是理想的清潔能源。目前，各國政府都將太陽能資源利用作為國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的重要內(nèi)容。 然而太陽輻射密度低、光伏電池昂貴等問題，導(dǎo)致光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本居高不下。據(jù)調(diào)查，目前太陽能發(fā)電成本約為15-20元/W，昂貴的太陽能電池板嚴(yán)重束縛著太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。另根據(jù)教育部光伏系統(tǒng)工程研究中心能源研究所統(tǒng)計(jì)分析，以最佳傾角和垂直安裝兩種并網(wǎng)光伏系統(tǒng)情況計(jì)算，每安裝1kW光伏系統(tǒng)在其生命周期內(nèi)總共減少CO2排放量差異較大，范圍約為8.92噸到39.20噸之間。因此，大力發(fā)展聚光型光伏發(fā)電設(shè)備，利用較低成本的聚光器件彌補(bǔ)昂貴的光伏電池成本投入，以進(jìn)一步提高發(fā)電效率，降低發(fā)電成本，發(fā)揮光伏節(jié)能減排作用，是目前國內(nèi)外光伏發(fā)電應(yīng)用研究與產(chǎn)業(yè)化推廣領(lǐng)域中的重要研究方向。 綜合現(xiàn)有文獻(xiàn)，聚光太陽能光伏發(fā)電大多直接通過凸透鏡或菲涅耳透鏡以及反折射鏡來聚光，匯聚的太陽光不均勻地投射到光伏電板上，當(dāng)聚光比較高時(shí)，光伏電板產(chǎn)熱非常嚴(yán)重，很容易使光伏電板局部受熱而損壞。目前也有一些新型的聚光技術(shù)，但仍有不足，如許志龍的專利“蝶形反射聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)”采用平面鏡碟式排列聚光，可使匯聚的太陽光均勻地射到光伏電板上，但此方法聚光比與平面鏡數(shù)量有關(guān)，受到裝置體積和成本投入限制大。 可產(chǎn)生光伏效應(yīng)的太陽輻射波長范圍在0.4-1.1um，其它波長的太陽輻射照射在太陽能電池板上只轉(zhuǎn)化為熱能，使光伏電板的溫度升高，降低光電轉(zhuǎn)換效率，縮短了光伏電板的壽命。專利申請?zhí)枮?00610088176.2的“可自散熱的太陽能聚集型光伏發(fā)電裝置”雖然濾去了紅外線，但濾光片的形狀為拋物面形，加工比較困難，用量大，經(jīng)濟(jì)成本較高。 大部分聚光發(fā)電裝置需要跟蹤太陽，而太陽跟蹤技術(shù)始終是一大難題?，F(xiàn)有的光檢測跟蹤技術(shù)主要有位置傳感檢測器PSD技術(shù)、CCD技術(shù)，普遍較復(fù)雜，易受陰云、灰塵等外界環(huán)境的影響，而且成本較高。 本作品研發(fā)一種新型聚光發(fā)電裝置，通過自動(dòng)追日跟蹤和太陽光聚光，以達(dá)到提高光伏電板發(fā)電效率、降低發(fā)電成本的目的，并解決現(xiàn)有的聚光發(fā)電裝置中聚集光不均勻、光伏電板局部受熱不均和紅外線聚集發(fā)熱嚴(yán)重、追日跟蹤穩(wěn)定性差的問題，延長光伏電板使用壽命，為太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)提供一種新設(shè)備。
