00701107-纪国圣-说明书

1、基于单轴控制的太阳能发电效率最大化设备-以太阳能路灯为分析对象设计说明书设计者：纪国圣，余明星，霍嘉欣，赵晓东，刘毅舸指导老师：李海旺北京航空航天大学，能源与动力工程学院，北京，100191作品内容简介针对目前太阳能路灯、固定式家庭并网发电设备等太阳能光伏发电系统存在电池板功率小、电池板的热岛效应、性价比低、供电不稳定等严重降低效率的问题，本作品依据太阳能光伏发电原理及阴影原理，制作了基于单轴控制的太阳能发电效率最大化设备。在原理方面，根据太阳能光伏发电原理，太阳能电池板的发电能力与太阳照射到它上面的直射辐射辐照度成正比关系，太阳能电池板接收太阳直射辐射辐照度越强，其发电能力就越大；阴影原理，

2、将一对特性完全相同的光敏电阻对称地固定在检测装置内，光敏电阻的特性是随着光照强度增强其阻值相应减小，对应的电气信号输出电压降低。如果一个光敏电阻被照射，而另外一个光敏电阻处在阴影中，则这对光敏电阻将会产生一个电压差，从而实现了将光信号的差异转换成了电信号。在制作方面，置于太阳能电池板上的两个光敏电阻，采用步进工作方式即通过电压差阀值控制电机正反转动，完成装置准确跟踪；通过太阳能电池板供电实现装置运转及电力输出。本文通过实验测量固定式、单轴式和双轴式发电效率，综合发电成本、装置复杂度等因素，得出单轴式太阳能发电效率最高的结论。并以此为依据制作了基于单轴控制的太阳能发电效率最大化设备。经实验初步测

3、量本装置发电效率可提高35%左右。以北京为例，大概有10万盏固定式太阳能路灯，若加以改装则每年可节约70余万元。若推广到全国，将具有良好的经济效益。1 研制背景及意义太阳能是“取之不尽，用之不竭”的无污染可再生能源，每天送到地球表面的辐射能大约相当于2.5亿万桶石油。据统计，2001年以后，我国电力需求以每年超过20%的速度增长。依照目前的经济发展趋势和中国的资源情况， 2020年的电力供应单靠传统的煤、水、核是不够的。表1为中国电力科学院依据2010年数据预估电力供给在2020年的缺口将达到10.70%，这部分缺口将通过可再生能源来补充。表1 2010年和预估2020年中国发电装机（电力科学

4、院）光伏发电将在中国未来的电力供应中扮演重要的角色，预计到2020年累计装机将达到30GWp;2050年将达到100GWp。根据电力科学院的预测，到2050年中国可再生能源发电将占到全国总电力装机的25%，其中光伏发电占到5%，与风力发电、生物质能发电旗鼓相当，如表2所示。 表2 2050年中国发电装机构成预测（电力科学院）太阳能照明是利用太阳能最重要的方式之一。据统计，目前我国道路照明的路灯总数超过1000万只，并且每年以10%以上的速度递增。其中城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约878亿kWh，以平均电价0.65元/kWh计算，一年开支达570亿元，数额庞大。太阳能照明最显著的

5、特点是节能、经济、环保，无需由传统的公共电力系获取电能，节省了变配电设备、缆线、开关等的投资，基本没有运行费用。另一方面，太阳能转化为电能，避免了煤、油、核等发电导致的大气和环境污染。随着太阳能产业化进程和技术开发的深化，我国的“绿色照明工程”也将进入快速发展的阶段。我国太阳能路灯首先在沿海发达地区使用。2006 年， 北京市北村照明工程全部使用太阳能照明。2007 年深圳市福田区下沙大道两旁安装了 38 套太阳能路灯，太阳能路灯采用独立/并网双向系统，当白天光照较强时，晚间使用太阳能供电照明，在长期阴雨等光照不足的条件下自动切换成市电供电。当前市场上的太阳能发电多是固定式的，与之相比较，本项

6、目研究实现的太阳能自动跟踪控制系统，具有更高的发电效率。此太阳跟踪装置使用光敏传感器来测定入射太阳光线和跟踪装置主光轴间的偏差，当偏差超过一个阈值时，执行机构调整集热装置的位置，直到使太阳光线与集热装置光轴重新平行，实现对太阳高度角和方位角的跟踪。2 设计方案2.1 整体装置 该装置的整体外观结构如图1所示整个装置由发电装置，信号采集装置，驱动装置和底座及俯仰角度调节装置四部分组成。最上面的装置为太阳能板，用于将太阳能转化为电能来实现能量转化；中部为信号采集装置，主要通过两个光敏电阻实现太阳光强度的感应及信号的转化；下部为驱动装置，实现太阳能板随着太阳光照移动；最下面是底座及俯仰角度调节装置，

7、实现装置的支持及俯仰方向上角度的调节。整个机器大概尺寸为30厘米高，小而便于携带。不需要使用者的调节和指导即可自动工作，有效的减轻了使用者的负担。2.2电器控制2.2.1 发电装置发电装置位于整个机器的最上部，占用面积最大，是用于光电转化的部分，进而实现驱动电机及输出电流。此太阳能电池板通过机械设计实现了俯仰角度的控制，具体规格为3W电池板，电压9V，电流334mA。太阳能电池板的制作规格为100W/，共分为18个小的模块，实现光电转化。2.2.2 信号采集装置 信号采集电路利用太阳能电池板的一小部分能量进行随动跟踪。电路原理图如图2所示，利用了 LM324放大器、光敏电阻、可调电阻等低成本元

8、器件。具有灵敏度高、抗干扰能力强、价格便宜等优点。图2、3分别展示了装置运行的内部原理以及装置的外观形状大小。2.3 机械控制驱动装置如图4所示，该装置与太阳能板的固定装置通过螺钉连接在一起，实现电机带动太阳能板的转动。采用专门定制的小电流高效率的减速电机作为驱动装置，可以减小发电功率的消耗，降低转动速度。同时该装置接受来自信号采集装置的电压信号，并且利用此电流来实现电动机的最终正反转运行。当太阳转角没有改变时，此时电动机处于不工作状态，从而节约能源。俯仰角度调节装置需要事先根据使用要求比如地区纬度等设计调节好，使其尽量正对太阳，以提高装置的发电效率。该部分结构简单，容易操作。底座装置如上图所

9、示，主要用于固定整体装置，使其有更好的工作环境；同时也增强了整体的稳定性，不至于被吹倒破坏。3 工作原理及系统组成3.1工作原理光强接收原理，根据太阳能光伏发电原理，太阳能电池板的发电能力与太阳照射到它上面的直射辐射辐照度成正比关系，太阳能电池板接收太阳直射辐射辐照度越强，其发电能力就越大。而太阳斜射到太阳能电池板的直射辐射辐照度与垂直照射到该平面上的直射辐射辐照度是余弦关系，即：Ida=In cos a。因此，同样材质、同样大小的太阳能电池板解决其跟踪太阳直射问题是提高其发电能力最直接、最有效的方法。光强检测原理，光强检测装置为太阳自动跟踪系统中的一个核心环节，是根据阴影原理设计而成的。将一

10、对特性完全相同的光敏电阻对称地固定在检测装置内，光敏电阻的特性是随着光照强度增强其阻值相应减小，对应的电气信号输出电压降低。如果一个光敏电阻被照射，而另外一个光敏电阻处在阴影中，则这对光敏电阻将会产生一个电压差，从而实现了将光信号的差异转换成了电信号。一对特性完全相同的光敏电阻被对称地安装为直线，可以完成对两个方向的光强检测。太阳跟踪可采用步进工作方式，对光敏电阻输出的电压差规定一个门槛值V，这个电压对应的光线角度值为。规定Ve，Vw 分别为东西两方向光敏电阻输出的电压，直流电机正转时控制旋转机构向西旋转，反转时旋转机构向东旋转。光线跟踪控制过程，平时应对准南方放置，电池板将会自动由东向西跟踪

11、，在太阳落山后停止，并在第二天太阳在东方升起时，返回东方继续跟踪。俯仰角度应根据季节和当地的纬度调节，确保电池板在东西跟踪的过程中，南北位置能够最大程度垂直于太阳光线。3.2系统组成单轴式太阳能路灯主要由太阳能电池组件、太阳能自动跟踪器系统、太阳能路灯控制器、储能装置、灯杆、LED灯具组成，下面将详细论述其各自功能：太阳能电池组件，太阳能电池组件是太阳能发电系统中的核心部分。太阳能发电系统是依靠太阳能电池组件，利用半导体材料的电子学特性将光能转化成电能。太阳能电池板的质量和成本将直接决定整个系统的质量和成本。太阳能自动跟踪器系统，高昂的太阳电池组件成本制约着太阳能照明工程的发展，跟踪式太阳能路

12、灯由此应运而生，它主要由自动跟踪器和跟踪控制器两部分组成。在“太阳能自动跟踪器”的控制下，保证太阳能电池板能够全天候准确跟踪太阳。采用单轴跟踪方式后，太阳能电池组件的单位面积发电量能显著提高，进而可通过减少太阳能电池组件的用量，降低系统成本。储能装置，太阳能路灯通常选用铅酸免维护蓄电池作为蓄能装置，其质量寿命循环放电率等是直接影响路灯正常工作的重要因素，在选配上要参考各方面的性能综合考虑。若蓄电池选配或使用不当，会造成效率衰减过快，从而使蓄电池加大更换频率，最终增加整个照明系统的成本。以24V、40W的LED灯为例，按每天使用小时数为8h、连续阴雨天4天要求，配置蓄电池时考虑放电深度0.75、

13、充放电效率0.85及安全系数1.1等，根据负载估算蓄电池容量:1.14084/(0.850.7524)=92.1Ah。此时实际选用2个12V/100Ah蓄电池串联即可。灯杆，太阳能路灯的灯杆普遍采用钢制，表面经热镀锌处理后喷塑涂装，其款式可根据实际需要进行设计。现在国内使用的太阳能路灯灯杆造型多样，美观大方，且可根据使用场所的需要定制，具有良好的环境美化效果。灯具，LED是一种半导体固体发光器件，它是利用固体半导体芯片作为发光材料，当两端加上正向电压，半导体中的载流子发生复合引起光子发射而产生光。LED太阳能灯具采用低压供电，安全可靠绿色环保，因而具有广阔的市场前景。在同样照度维持值的情况下，

14、LED路灯的寿命是传统路灯的9到10倍。太阳能路灯控制器，为了使蓄电池组工作在最佳状态，以获得最长的使用寿命，必须使充电控制电路的性能符合密封铅酸蓄电池的充电要求。实现路灯充放电及开关智能控制的单元是太阳能路灯控制器。跟踪式太阳能路灯控制器一般采用光控U延时控制模式，没有阳光时，光强降到启动点，控制器延时10分钟确认启动信号后，开通负载，负载开始工作；有阳光时，光强升到启动点以上，控制器延时10分钟确认关闭输出信号后关闭输出，负载停止工作；当负载工作到设定的时间就关闭负载。结合上述案例进行深入分析，因为路灯工作电压是24V，蓄电池串联输出额电压也是24V，所以控制器也应该选择24V额定工作电压

15、，其光伏组件的额定输出电压为34V。现在市场上大部分控制器最大输入电压是额定工作电压的2倍。因此对总容量为230WP的系统，可以用2块115WP组件串联构成，此时串联工作电压=21.4V，最大输出开路电压=42.4V，短路电流=11.5A。因此控制器额定充电电流选用12A。4 性能分析用三块参数相同的太阳电池板, 一块根据北京最佳安装倾斜角度43.8度固定朝南略偏西放置, 一块安装在单轴发电设备上, 最后一块安装在双轴发电设备上，分别在晴朗无云天气下测试三块太阳电池板的发电功率。图为得到的太阳能光伏发电功率对比曲线。通过光照实验，每个一小时记录一次输出电压及电阻，进而算出此时的输出功率，采集数

16、据见附表，记录并绘图可得上图的太阳能光伏发电功率曲线，计算曲线与时间轴所夹面积可计算出日发电量，进而求出三种方式的平均日发电功率。首先对固定式与单轴式发电方式进行对比分析。固定式太阳电池板全天平均发电功率为474.9386mW, 单轴式发电方式全天平均功率为734.7624mW ，发电功率增加35.36%。固定式发电方式全天只有3小时左右在辐射强度1000mW/下工作, 而加了单轴式达到了7小时, 功率大大增加。特别在200mW/左右低辐照度时段, 功率增加幅度超过了200%。另一方面电动机功率0.1W,一台电动机一天耗电量为0.1Wh，相比于多发出的发电量可忽略不计。然后对双轴式与单轴式发电

17、方式进行对比分析。双轴式发电功率平均为775.5928mW，比单轴式高40.83mW，但双轴式比单轴式需增加一台电动机，日多耗电0.1Wh，多余的电量一部分被电动机消耗。同时考虑到路灯上电动机维修保养不太方便，电动机寿命为3到4年，双轴式采用两台电动机两年半左右就要对电动机进行检修更换，大大降低了可靠性，提高经济成本。同时双轴式机械结构更加复杂，考虑到整体的可靠性，选择单轴式的更符合市场需求。实验时采用的太阳能电池板约为100mm70mm。实际使用中采用0.7的太阳能电池板，日均发电量0.712KWh，蓄电池充放电效率均为0.85，每天可提供能量0.514 KWh。采用40W的LED路灯，每天

18、工作8小时耗电0.32KWh，驱动电动机耗电0.1 KWh，每天可储存0.094KWh的电能，相比于固定式多存储电能0.0329KWh，增幅可达35%。北京大概有10万盏固定式太阳能路灯，每天可以多储存电能3290度，按每度电0.6元计算，相当于每年节约了72万元，推广到全国每年可以节约1.5亿元。目前我国普通道路照明的路灯总数超过1000万只，并且每年以10%以上的速度递增。其中城市公共照明在我国照明耗电中占30%的比例，约878亿kWh，以平均电价0.6元/kWh计算，一年开支达570亿元，如果将原来的非太阳能路灯全部用单轴式太阳能路灯取代，那么每年可以节约上百亿元的财政开支。5 创新点及

19、应用前景5.1经济效益分析根据实验测得单轴式发电设备相比于固定式发电设备发电量增幅可达35%，相比于双轴式发电设备具有结构简单、可靠性高、投入成本低和性价比高的优点。结合实际分析，以北京为例，通过改造固定式太阳能路灯，目前每年可节约70余万元，推广到全国每年可以节约1.5亿元。进一步可对现有设备进行改造，应用领域包括以下几方面：l 公共交通设施：太阳能路灯、交通信号灯、海上航标灯l 家庭式发电设备：边缘地区家庭发电、城市楼房屋顶用户并网发电l 野外发电设备：森林防火监测装置、水文监测装置、小型移动电站在未来如果能大规模推广单轴式发电设备，可大幅度提高发电量，节约大量能源，由此可见其具有极高的经

20、济效益。5.2LED灯替换普通高压钠灯目前，国内太阳能路灯一般采用高压钠灯、高压汞灯等面临补偿电容、镇流器、起辉环节的能耗等无形损耗，增加了道路照明、市政照明等的供电成本，而LED半导体照明光源由于启动电压和工作电压一致，所以就不需使用镇流器。这样在节省成本和相关能耗的同时，也大大缩短了通断电的响应时间。由于LED的工作电流是直流，且工作电压较低。太阳能电池将光能转化为直流电能，且太阳能电池组件可以通过串并联方式组合得到实际需要的电压。这些特点恰好与LED相匹配，两者结合将获得很高的能源利用率、较高的安全性能和可靠性，实现节能、环保、安全、高效的照明系统，实现十分完美的结合。另一方面，单轴式太

21、阳能路灯污染小、无废气排放，会带来良好的环境效益。下表为普通高压钠灯与单轴式太阳能路灯污染物排放量对比表。表3全寿命周期排放量比较（单台，20年）由此可见，单轴式太阳能路灯比高压钠灯具有更好的环境效益。5.3环境效益分析太阳能光伏技术的应用不会产生二次污染，碳排放量接近零且不污染环境，符合节能减排的要求。从目前各种发电方式的碳排放来看，不计算其上游环节：煤电为275克，油发电为204克，天然气发电为181克，风力发电为20克，而太阳能光伏发电则接近零排放，并且在发电过程中没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害物质，不会污染环境。从资源条件尤其是土地占用来看，生物能、风能是较

22、为苛刻的，而太阳能则很灵活和广泛。如果说太阳能发电要占用土地面积为1的话，风力则是太阳能的810倍，生物能则达到100倍。而水电，一个大型水坝的建成往往需要淹没数十到上百平方公里的土地。相比而言，太阳能发电不需要占用更多额外的土地，屋顶、墙面都可成为其应用的场所，还可利用我国广阔的沙漠，通过在沙漠上建造太阳能发电基地，直接降低沙漠地带直射到地表的太阳辐射，有效降低地表温度，减少蒸发量，进而使植物的存活和生长相当程度上成为可能，稳固并减少了沙丘，又向自然索取了我们需要的清洁可再生能源。对于灯具，太阳能灯具使用寿命长，并且安全节能，光源为冷光源，不会产生温室效应，对植物没有任何影响。5.4未来发展分析5.4.1离网住宅供电全球还有将近20亿人口没有用上电，其中