精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统

1、自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术 时间：2005-5-17 11:19:00 来源：未知 作者：孙迎光 精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统，其单机发电能力为0.3-1.5kW，将单机组成阵列可构成大功率的发电系统。采用聚光太阳电池的好处是光电转换效率高，并且价格低（聚光太阳电池转换效率为18%-30%比普通太阳电池高的多，1cm2 的聚光电池在标准光强下聚光度为400-600倍聚光后，输出功率达6-10W以上，而同等面积的平板式太阳电池输出功率仅 12-14W）。普通平板式太阳电池的造价为 45-65/W，而聚光太阳电池的造价要低得多，并且，同功率的精确跟踪光伏发电系统比固定型光伏发电系统每

2、天多发电50%。由于聚光电池的受光面只有同功率的普通光电池几百分之一，因此可以大大节约单晶硅的用量，即同面积的单晶硅片若制成聚光电池，发电量将提高数百倍。1 精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电 系统组成 系统由聚光电池阵列、架体、方位和仰角驱动器、跟踪器、控制器组成，如图 1。1.1 聚光电池阵列 聚光电池阵列（见图1 中的序号3）由若干聚光电池串并联构成，若干阵列的串并联还可构成不同规模的聚光发电系统。聚光电池、散热器和费涅尔透镜固定在阵列支架上，阵列支架既要求十分平整，支架上的聚光电池保持在同一平面和相互平行的平面内，又要求具有抗七、八级风的能力，同时还要有避雷措施。图1精密太阳能自动跟踪聚

3、焦式光伏发电系统的组成Page1.2驱动器 驱动器（图 1 中的序号4-17）由方位和仰角驱动电机及减速齿轮组成，聚光电池阵列必须采用高精度跟踪系统，并且双轴自动跟踪（见图 2）。图 2 高精度双轴自动跟踪系统电原理如图2所示，端子 X、Y 是全向光源跟踪探测器的水平方位角偏差信号，Z 是垂直方位角偏差信号。这两个偏差信号经精密运算放大器TLC27L7放大后（根据跟踪精度来确定放大倍数K），送入PIC16C711单片机的A 口，经 PIC16C711内部 A/D 转换器转换成数字信号，由软件设定启动电机跟踪角度值和其他功能（例如：昼夜控制、阴雨天控制、过云控制、大风控制等）。PIC16C711

4、的B口输出跟踪控制信号，该信号放大后驱动继电器，再由功率继电器控制水平和垂直转动的电机。 当聚光比为400时，其跟踪精度应小于 0.2度。因为太阳移动很慢，驱动器的转速设计为：水平方向 4h一周，垂直方向 1h一周。因为电机的转速比很高（水平 :垂直:1），所以可大大减小电机的功率。1.3跟踪器 跟踪器（图 1 中的序号 19）采用微处理器对从传感器送来的信号进行比较和处理，控制随动电机按所要求的方向转动，以满足跟踪要求。 另外跟踪器还要求： （1）工作可靠，保证电池阵列在白天任何时刻都正对太阳； （2）夜间自动返回原始位置； （3）遇到大风时可使电池阵列顺向； （4）具有保护功能，当传动机构

5、失效时，能使电池阵列停止运转； （5）自身功耗小。由于电机功率很小，耗电不大，加上夜间阵列自动返回，两个电机功率不超过总发电功率的 1%。1.4 传感器 跟踪器所用传感器（图 1 中的序号 1、序号 2）有三种：方位和仰角太阳传感器，风力传感器，日光开关。 太阳传感器是把聚光电池阵列法线偏离太阳光线的角度信号转变为电信号的装置，它是跟踪系统的重要部件，在很大程度上决定跟踪的精度。太阳传感器测量太阳的方位，如有偏向，通过驱动电机的运转使电池阵列对准太阳。 风力传感器采用感应式器件，当风力达到一定强度（如8级风）时，控制器控制仰角驱动电机转动，使阵列向水平方向运行，直到阵列受力最小为止。在这种状况

6、下，仰角驱动电机，不受方位太阳传感器控制。 日光开关也是采用光敏器件，使白天太阳能电池阵列受方位太阳传感器控制而运转；夜间，阵列不受方位太阳传感器控制，而仅受日光开关控制向东方向运行，即阵列返回到早晨初始位置。1.5交直流控制系统及其它配套设备 直流控制系统功能有防反充、防过充、防过放以及过载保护、电量计量等。配套设备有逆变器（逆变效率达 729以上）；蓄电池（密封式）。Page2 聚光电池模块 聚光电池模块由聚光太阳电池组件、旁路二极管、反射器、聚光器、散热器及壳体组成。模块是基本发电单元，它由12个电性能基本一致的太阳电池组件构成，其标称输出功率为75W，它可以独立使用，也可以由若干模块串

7、并联构成数千到数万千瓦不同规模的发电阵列。 聚光太阳电池组件是模块最主要的关键部件，它与一般太阳电池不同，是一种专门设计和制造的聚光太阳电池。 旁路二级管的作用为：当某些电池组件由于被遮挡见不到阳光或发生故障而不能正常发电时，该二极管便提供通路，使其它与之串联的电池组件不受影响。在模块内所有电池组件正常工作时，旁路二极管不起作用，因而不影响模块输出功率。反射器的作用是保护模块内电池导线不受强光照射而发生烧焦现象，从而保证模块有良好的电性能和绝缘性能。由于聚光400倍的太阳光强度非常大，若不加保护，当早晨开机时，阵列处于非跟踪状态，或者跟踪系统发生故障而停机检修时，太阳光斑偏离电池组件很容易把导

8、线绝缘胶烧焦。 太阳聚光器采用拆射式聚光器菲涅尔透镜，它是利用光在不同介质的界面发生拆射的原理制成的，具有与一般球面透镜相同的作用。特点是直径很大的菲涅尔透镜可以做的很薄，与球面透镜相比可大大减轻透镜的重量。 菲涅尔透镜也是聚光电池模块的主要部件，具有体积小、重量轻、加工方便、透光率高等特点。菲涅尔透镜一方面对太阳光进行聚焦，另一方面对电池组件也起保护作用。它是电池模块外罩的一部分，电池组件的散热器位于电池外罩的阴影里（正常跟踪状态），不被太阳光直射，因而便于散热，使电池的温度低，效率较高。 壳体起支撑和散热作用。在太阳电池工作时，产生的热量通过铜散热器传到壳体，再通过辐射和对流方式将热量散掉

9、，以保持太阳电池温度不超过80。聚光太阳电池组件模块的结构由图3所示： 图3聚光太阳电池组件模块的结构聚光太阳电池组件模块由聚光太阳电池片、散热器、费涅尔透镜、支架等组成。 聚光太阳电池片是发电模块的心脏。样机使用的聚光电池片有效面积为 10.3mm10.3mm平均转换效率18%每片标称输出功率 6.25W,开路电压大于 0.7V，短路电流可达 10A以上。电池栅线及背面电极均蒸镀钛、钯、银。电池正极与散热器连接，引出线为底连线。电池负极引出线为顶连线。 由于聚光倍率很高，散热问题不可忽视，否则输出功率将受到很大影响。太阳电池工作时产生的热量首先传给散热器，然后传给模块壳体，二级传热结果要保证

10、电池组件工作温度不超过80，所以散热器要采用导热良好的材料。 在装配电池组件之前，散热器要在专用设备中进行预熔焊膏。顶连线与电池的连接也是在专用设备的保护下进行热压焊，以保证良好的接触和焊接的均匀性。检查焊接质量采用超声波检测仪，检测结果用图形及相应数字或者百分比的方式显示。检查顶连线焊接质量采用拉力试验方法。Page3太阳能发电系统的组成 如图4所示，太阳能发电系统由太阳电池方阵、蓄电池组、直流控制器、直流交流逆变器、交流配电柜和备用电源系统（包括柴油发电机组和整流充电柜）等组成。系统的工作原理是：太阳电池方阵经过直流控制柜向蓄电池组充电。充到蓄电池组的上限电压后，由直流控制柜执行自动停充，

11、将太阳电池方阵切离充电回路。当蓄电池组电压回降至下限电压时，再将太阳电池方阵接入充电回路恢复充电。蓄电池组均通过直流控制柜向直流交流逆变器供电。经由逆变器将直流电变换成单相或三相交流电，再通过交流配电柜向输电线路供电。当蓄电池组的电压下降至过放电电压时，为不造成蓄电池组的过放电，直流控制柜将自动切断输出，直流交流逆变器停止工作。 图 4 太阳能发电系统的组成 太阳能发电系统是有备用电源的发电系统，以太阳电池发电为主，配备1台柴油发电机组作为备用电源，以便在必要时通过整流充电柜为蓄电池组充电，也可以在光伏发电系统出现故障时直接通过交流配电柜向输电线路供电。逆变器和柴油发电机组不能同时向输电线路送

12、电，由交流配电柜的互锁功能来保证供电的唯一性。4技术的先进性 太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统是采用聚焦的方式将太阳光的光能密度大大提高（400倍以上），可使太阳能电池转换效率提高，在小面积的单晶硅片上获得大的电流。太阳光的聚焦可采用费涅尔透镜或抛物面反射镜，太阳能聚光电池的散热可采用大面积的散热片自然冷却，也可采用循环水冷将热量二次利用（但此装置的结构复杂）。太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的关键技术是精确跟踪太阳，其聚光比越大跟踪精度要求就越高，聚光比为400时跟踪精度要求小于0.2度。在一般情况下跟踪精度越高其结构就越复杂，造价就越高，甚至造价高于光伏发电系统的光电池的总造价。 由我公司

13、研制的跟踪探测器，其特点是廉价、精度高、没有温度漂移、工作稳定、可靠。当该跟踪探测器采用造价低廉结构时，跟踪精度为0.01度时可稳定工作。当该跟踪探测器采用造价较高结构时，跟踪精度为 0.001度时可稳定工作。目标的偏差量以输出连续线性电压或电流方式，输出有+、-、0 三种状态电压或电流值。当跟踪探测器对准光源时输出为 0，分别以两个相反方向偏离光源时，输出分别为 +或-值，并且输出值随偏离光源角的增加而增加。在0偏离角附近，输出值随偏离角变化较快，因此探测器的灵敏度较高若偏差量为输出电压方式，并定为一度。可用于工业、民用等需要低精度跟踪方面，例如太阳能光电和光热方面的应用，而且，特别适用于高

14、效太阳能发电系统。 由于太阳能发电装置用的抛物面反射镜精度很高，焦点直径一般小于10mm因此要求跟踪驱动装置的精度很高。目前国外的高精度跟踪驱动装置价格昂贵，不能推广应用。而采用该光源跟踪探测器组成的控制跟踪驱动装置的价格很低，价格只有国外的几百分之一，因此可使高效太阳能发电装置得以推广应用。5 太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统适用性太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统中的自动跟踪聚焦系统，由于其不仅可应用于专用的太阳能聚光电池，也适用于普通太阳能电池，至少可将普通太阳能电池的发电能力提高 10倍以上，也就是说可以降低采用普通太阳能电池发电系统的造价。由于自动跟踪聚焦式光伏发电系统始终跟踪太阳，能够始终接受太阳光的最大能量，因此该光伏发电系统比普通同峰值功率德太阳能电池发电系统多发电 30%-50%，也就是说又进一步地降低了发电成本。 该太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统机械传动装置结构简单牢固，跟踪精度高，制造成本低，发电效率高（国际上高效聚光光伏电池效率已达 32%），发电量大，安装容易，因此具有很强的适用性和市场竞争力。 光伏发电系统中的自动跟踪聚焦系统可持续产生很高温度，因此也适用于