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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 太陽(yáng)能光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制作
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”省賽作品
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 充分開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能，符合國(guó)家綠色環(huán)保、節(jié)能減排的政策導(dǎo)向。本設(shè)計(jì)選擇拋物槽聚焦器，通過(guò)反射聚焦原理，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)疊加，提出全天候太陽(yáng)光自適應(yīng)跟蹤算法，開(kāi)發(fā)了單片機(jī)程序，制作了系統(tǒng)硬件。自動(dòng)跟蹤裝置樣機(jī)采用光機(jī)電一體化控制，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)與電子調(diào)速相結(jié)合的減速方案，實(shí)現(xiàn)大減速比傳動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、成本低的特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤，可有效提高太陽(yáng)能利用率，增加發(fā)電量，降低發(fā)電成本。
- 詳細(xì)介紹：
- 太陽(yáng)能作為一種可以永久持續(xù)使用的綠色可再生能源，有著巨大的應(yīng)用前景。作為聚光式發(fā)電的核心供電裝置，太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)既可在發(fā)電廠應(yīng)用，也可為太陽(yáng)能空調(diào)等民用設(shè)施供電，因而具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)。本設(shè)計(jì)受太陽(yáng)能槽式光熱發(fā)電的啟發(fā)，選擇拋物槽聚焦器，通過(guò)反射聚焦原理，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)疊加，以便在較小的電池板區(qū)域聚焦吸收較多的太陽(yáng)能。針對(duì)不同的天氣條件，提出了一種全天候自適應(yīng)跟蹤控制策略。即當(dāng)晴天時(shí)（光強(qiáng)大于預(yù)設(shè)值），系統(tǒng)采用光電跟蹤的方式,控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)到與入射陽(yáng)光垂直的位置而停止來(lái)蓄電；若遇烏云遮擋、陰雨天等天氣，光強(qiáng)低于預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)入視日運(yùn)動(dòng)跟蹤方式,控制電機(jī)按天文歷時(shí)角度轉(zhuǎn)動(dòng)?；谏鲜鰳?gòu)想，開(kāi)發(fā)了單片機(jī)程序，設(shè)計(jì)制作了系統(tǒng)硬件。該系統(tǒng)具有以下創(chuàng)新點(diǎn)：①用成本較低的光敏傳感器和簡(jiǎn)單的單片機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)全天候太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤的光機(jī)電一體化控制；②采用機(jī)械傳動(dòng)與電子調(diào)速相結(jié)合的減速方案，以簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)大減速比傳動(dòng)，保證跟蹤裝置緩慢勻速轉(zhuǎn)動(dòng)；③從實(shí)用性出發(fā)，采用了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、減重省材、省力驅(qū)動(dòng)、降低成本的節(jié)能方案。實(shí)驗(yàn)表明，該裝置能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)跟蹤，可有效提高太陽(yáng)能利用率，增加發(fā)電量，降低發(fā)電成本。
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)
- （1）目的：太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是聚光式光伏發(fā)電的核心裝置，其研制涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)問(wèn)題的解決，已成為太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)化成敗的關(guān)鍵。 （2）基本思路：由于平貼式的太陽(yáng)能硅電池的轉(zhuǎn)換效率太低，本設(shè)計(jì)受太陽(yáng)能槽式聚焦光熱發(fā)電的啟發(fā)，選擇拋物槽型聚光器，通過(guò)反射聚焦原理，實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)疊加，針對(duì)光強(qiáng)的晴天、光弱的陰雨天等不同天氣條件，提出一種全天候自適應(yīng)跟蹤控制策略，即以光電跟蹤為主、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤為輔的綜合跟蹤控制策略。 （3）創(chuàng)新點(diǎn) ①根據(jù)晴天與陰雨天氣等不同天氣條件，提出了以光電跟蹤為主、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤為輔的跟蹤策略，用價(jià)格較低的光敏傳感器和單片機(jī)控制電路，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的光機(jī)電一體化控制等。 ②采用機(jī)械傳動(dòng)與電子調(diào)試相結(jié)合的減速方式，以簡(jiǎn)單的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)近1:750的大減速比傳動(dòng)。 ③面向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，采取了一系列簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本、減重省材、節(jié)能環(huán)保的實(shí)用技術(shù)方案。 （4）關(guān)鍵技術(shù) ①多反射鏡拋物面聚光器的制作工藝研究；②實(shí)現(xiàn)光電跟蹤、視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤兩種方式結(jié)合控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。③用幾何結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，解決減輕反射鏡及支撐裝置的重量并使其重心與轉(zhuǎn)軸重合的問(wèn)題。 （5）主要技術(shù)指標(biāo) ①聚光器聚光倍數(shù)為10；聚焦溫度控制在150°C以下；②步進(jìn)電機(jī)與方位軸之間的傳動(dòng)比為1/16。③光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率約達(dá)25%。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本項(xiàng)目研究聚焦式太陽(yáng)能發(fā)電的自適應(yīng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)及圍繞跟蹤系統(tǒng)的輕量化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、拋物面零件的模具設(shè)計(jì)加工、節(jié)能驅(qū)動(dòng)等關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)，這些技術(shù)問(wèn)題的解決，已成為太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)化成敗的關(guān)鍵。本設(shè)計(jì)作品可提高太陽(yáng)能利用率，增加發(fā)電量，降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本，在民用與工業(yè)應(yīng)用中具有廣闊的應(yīng)用市場(chǎng)與發(fā)展前景。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 獲得2011年廣東省大學(xué)生挑戰(zhàn)杯決賽三等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 實(shí)驗(yàn)室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、模型、圖紙、、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 本設(shè)計(jì)作為聚光式光熱發(fā)電和光伏發(fā)電的重要供電裝置，其應(yīng)用技術(shù)既可用于大型太陽(yáng)能發(fā)電廠的工業(yè)應(yīng)用，也可為家電、公共設(shè)施等民用。例如，太陽(yáng)能空調(diào)、LED路燈與庭院燈、噴泉、游船、水泵、建筑、交通與通訊等產(chǎn)品提供低成本的供電方式（見(jiàn)圖10）。此外，可應(yīng)用于遠(yuǎn)離公共電網(wǎng)的無(wú)電地區(qū)和一些特殊場(chǎng)所，如為邊遠(yuǎn)偏僻農(nóng)村、牧區(qū)、海島、高原、沙漠的農(nóng)牧漁民提供照明、看電視、聽(tīng)廣播等基本的生活用電，為通信中繼站、沿海與內(nèi)河航標(biāo)、輸油輸氣管道陰極保護(hù)、氣象電站、公路道班以及邊防哨所等特殊處所提供電源。 項(xiàng)目研究思路正確、具有較好的前期研究基礎(chǔ)，研發(fā)的樣機(jī)，具有機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、跟蹤精度高，可靠性好等特點(diǎn)。項(xiàng)目的成果可為太陽(yáng)能光伏發(fā)電及家電產(chǎn)品的節(jié)能化應(yīng)用提供新的思路，符合國(guó)家節(jié)能減排、充分應(yīng)用綠色能源的政策導(dǎo)向。
同類課題研究水平概述
- 聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)主要有塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電、槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電、碟式太陽(yáng)能發(fā)電[4]。通過(guò)三十多年的研究開(kāi)發(fā)實(shí)踐，在國(guó)際上已達(dá)成共識(shí)，槽式太陽(yáng)能發(fā)電站是目前最經(jīng)濟(jì)的太陽(yáng)能發(fā)電方式，目前只有它實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，是最成熟的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)[5]。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化發(fā)展的主要障礙是成本，建立高效率、大容量、高聚光比的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是降低發(fā)電成本的主要研究方向[6]。 太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)是聚焦式太陽(yáng)能光熱與光伏發(fā)電的核心裝置，其研制涉及諸多關(guān)鍵技術(shù)，如轉(zhuǎn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)裝置的機(jī)構(gòu)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、基于光機(jī)電一體化的追日跟蹤策略與控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)、重型構(gòu)件的節(jié)能驅(qū)動(dòng)、拋物聚焦面基板的模具的設(shè)計(jì)與數(shù)控精密加工等。這些技術(shù)問(wèn)題的解決，已成為太陽(yáng)能利用產(chǎn)業(yè)化成敗的關(guān)鍵[7-13]。 太陽(yáng)運(yùn)行的軌跡是有規(guī)律可循的，通過(guò)計(jì)算可以得出任何時(shí)間和地點(diǎn)太陽(yáng)的位置，從而完成對(duì)日跟蹤。目前國(guó)內(nèi)外采用的太陽(yáng)自動(dòng)跟蹤方式很多，但主要有視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和光電跟蹤兩種方式[14]。如果將視日雙軸運(yùn)動(dòng)跟蹤和光電跟蹤相結(jié)合，互補(bǔ)其短，就可以得到比較滿意的效果。在光電跟蹤的基礎(chǔ)上，同時(shí)設(shè)置視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序，當(dāng)遇到烏云遮擋或陰天等天氣狀況時(shí)，由于光強(qiáng)太小，光敏管上產(chǎn)生的電信號(hào)會(huì)低于設(shè)定的閾值，系統(tǒng)自動(dòng)跳到視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤程序進(jìn)行執(zhí)行，天氣好轉(zhuǎn)后自動(dòng)跳出，繼續(xù)進(jìn)行光電跟蹤。為了更準(zhǔn)確的檢測(cè)天氣狀況，也可通過(guò)檢測(cè)方陣輸出電壓低于閾值的方式判斷天氣狀況。用視日運(yùn)動(dòng)跟蹤彌補(bǔ)光電跟蹤的缺點(diǎn)，能在任何氣候條件下使光伏發(fā)電系統(tǒng)得到穩(wěn)定而可靠的跟蹤控制。這種跟蹤方式跟蹤準(zhǔn)確度高，工作過(guò)程穩(wěn)定，可應(yīng)用于許多大中型光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤裝置。 常用跟蹤器的驅(qū)動(dòng)方式有伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和液壓驅(qū)動(dòng)兩種形式。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)通過(guò)減速機(jī)構(gòu)直接帶動(dòng)聚熱器轉(zhuǎn)動(dòng)，但低速爬行問(wèn)題不好解決，另外要滿足運(yùn)行要求還需要很大的減速比；而液壓驅(qū)動(dòng)的輸出扭矩大，間歇時(shí)間長(zhǎng)，抗交變負(fù)載能力強(qiáng)， 可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等優(yōu)勢(shì)，但容易產(chǎn)生沖擊而使運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)[18]。 盡管經(jīng)過(guò)30 多年的研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累，太陽(yáng)能聚光發(fā)電的技術(shù)取得了重大進(jìn)展和突破。但與其他比較成熟的可再生能源技術(shù)相比，目前的太陽(yáng)能發(fā)電還不具備競(jìng)爭(zhēng)力。提高系統(tǒng)效率和可靠性，降低發(fā)電成本，進(jìn)一步開(kāi)展大規(guī)模的系統(tǒng)示范，為大規(guī)模推廣應(yīng)用創(chuàng)造條件，是太陽(yáng)能利用研究的熱點(diǎn)。
