太阳能在绿色能源中的应用

太阳能在绿色能源中的应用

0太阳能自动跟踪系统由于能源危机日益严重，利用太阳能的清洁和经济优势逐渐被认为是取代化石能源的最佳选择之一。目前关于太阳能的利用形式很多,其中以太阳能光伏发电与太阳能热发电的应用最为广泛。在太阳能发电技术的快速发展中,人们发现,对太阳位置进行跟踪,可以从很大程度上提高太阳能的利用率,进而提高发电效率,因此,太阳能自动跟踪系统就应运而生了。国外对于太阳能自动跟踪系统的研究已相对成熟,特别是美国、德国、西班牙等国家,对太阳能利用方面的技术较为先进。而国内对于该方面的研究起步较晚,技术还不够成熟。尽管太阳能具有清洁、经济、储量大等优点,但太阳能也具有很多缺点,比如:太阳辐射方向时刻在变;太阳能总能量大,但能流密度较小;太阳辐射能受天气影响较大等。在太阳能热利用中,为了得到中高温热能,必须使集热器从日出到日落跟踪太阳。在太阳能光伏发电中,相同条件下,自动跟踪发电设备要比固定发电设备的发电量提高35%,成本下降25%。因此在太阳能利用中,为了提高太阳能利用率,对太阳进行跟踪是非常必要的。1太阳跟踪动作控制太阳能自动跟踪系统主要包括控制系统和执行机构两部分。系统工作时,先由控制系统计算或判断太阳位置信息,而后输出控制信号,经过执行机构的具体控制,使工作平台转向期望的对准位置,完成对太阳的跟踪动作。太阳能自动跟踪系统按照控制系统跟踪方式的不同可以分为:视日轨迹跟踪系统、光电跟踪系统、基于数字图像处理的跟踪系统和混合跟踪系统。按照执行机构的不同可以分为:单轴跟踪系统和双轴跟踪系统。2太阳能跟踪系统的组成2.1执行的信号转换控制系统是用来在跟踪太阳时,根据不同的跟踪控制方式运算或判断太阳位置,并将太阳的位置信息转换成执行机构的输入信号的主要部分。目前,国内外公认的跟踪精度较高的控制系统有视日轨迹跟踪系统、光电跟踪系统和基于数字图像处理的跟踪系统和混合跟踪系统。2.1.1跟踪系统计算方法这种跟踪系统的控制算法是纯数字计算式的方法,即该控制方法在跟踪时完全使用天文公式进行计算,计算出太阳相对于观测地的位置,以不同形式表示出这种位置关系,然后输出控制信号,调整设备的方向。该算法不受外界环境影响,属于开环控制系统,工作稳定性强,但是由于天文公式存在累计计算误差,故该跟踪系统的精度相对不高。首先在太阳运动轨迹计算时,存在两种计算坐标系:地平面坐标系和赤道坐标系,如图1、图2所示。图1中所示的地平面坐标系是采用高度角h和方位角A两个角度来描述太阳位置,其计算公式为:图2中所示的赤道坐标系是根据太阳在赤道平面上的投影每小时转动15°,使用太阳相对某一经度线的运行时间t和赤纬角δ角来描述太阳位置的,其计算方法为:式中:n———积日,即当天在年内的顺序号,如2月1日是一年中的第32天,n=32。综合比较以上两种坐标系下的太阳位置计算方法,采用地平面坐标系进行计算的结果精确度相对较高,且目前国内外均采样地平面坐标系来作为视日轨迹跟踪的主要计算方法。2.1.2外部光栅传感器这种系统控制算法是根据太阳入射光线的方向由检测装置实时检测光线入射情况,再由微电子电路运算检测装置与入射光线对准状态,若对准,则无输出信号;若没有对准,则向执行机构输出微电信号控制执行机构调整工作台,直至完成太阳的对准动作。该算法可以实时的调整工作平台跟踪太阳,属于闭环式控制系统,跟踪精度较高,但其受外界环境影响较为严重,特别是受阴雨天气影响严重,系统工作稳定性不高。光电跟踪系统的光电检测元件有以下三种不同的形式,见图3。图3(a)为隔板式光电传感器,其结构是将隔板垂直安装于底座上,隔板两侧安装有两块光敏元件工作时,当太阳入射光线平行于隔板入射时,即为对准状态;当入射光线与隔板呈一定夹角时,两侧光敏元件由于感光不同,会输出微电信号差,进而控制执行机构调整工作台位置。该光电检测方式结构简单、造价低、安装方便,但是其传感精度不高容易受到外界光源或其它物体散射光的影响,运行稳定性较低。图3(b)为金字塔式光电传感器,与隔板式有类似之处,使用“金字塔形”的锥形镜作为感光媒介锥形镜底部四个侧面的投影位置上各安装一块光敏元件。工作时,当太阳光线分布于四个侧面上的辐射强度相同是,即太阳光垂直于锥形镜底面,此时为对准状态;当四个侧面上的辐射强度不同时,以相对两个侧面投影位置上的光敏元件为一组,输出微电信号差,来控制执行机构动作。这种光电检测方式结构简单、造价较低、安装较方便,跟踪精度相对隔板式要高,但它与隔板式在工作时同样受外界光源或其它物体散射光的影响,运行稳定性不高。图3(c)为光筒式光电传感器,其结构是在安装有4个光敏元件的底座上,增加安装一个光筒。工作时,阳光由光筒入射至底座的光敏元件上,呈现图所示的相,当阳光所呈的相(即阴影部分)完全覆盖光敏元件时,即为对准状态;若阳光所成相不能完全覆盖光敏元件时,则以相对的两个光敏元件为一组输出微电信号差,来控制执行机构动作。这种光电检测方式结构复杂、造价较高、安装配合较复杂,但是其解决了隔板式和金字塔式受外界光源和物体散射光影响的问题,工作稳定性与跟踪精度远高于前两种光电传感方式。2.1.3亮斑位置的识别这种系统的提出相对较晚,但其正常工作时的精度却非常高,技术可靠性较强。其工作方式也很简单,即在跟踪时使用高清摄像头采集某一时刻的天空图像,然后使用计算机分析图像中最亮的亮斑(即太阳)在图像中的位置,若亮斑在采集图像的几何中心位置时,则说明系统此时已与太阳对准;若亮斑不在采集图像的几何中心时,则由控制系统计算亮斑距离图像几何中心的位置差,然后输出控制信号,驱动执行机构调整工作台对太阳进行对准,之后再次采集天空图像,判断对准情况。该算法工作效果与光电跟踪系统类似,都可以实时的对太阳位置进行跟踪,属于闭环控制系统,但是同样,这种控制系统也易受外界环境的影响,特别是阴雨天气的影响,系统工作稳定性不高。2.1.4系统自动转变为光电跟踪系统混合跟踪系统即为视日轨迹跟踪方法与光电跟踪方法相结合的跟踪系统。当天气晴朗时使用光电跟踪方法,对太阳进行实时跟踪;天气阴暗时,控制系统将改为视日轨迹跟踪方法,利用系统内部的时间,对跟踪装置进行调整控制,待到天气由阴转晴时,系统会自动转变为光电跟踪方法,实时跟踪太阳的具体位置。这种跟踪系统的优点就在于,它弥补了视日轨迹跟踪过程中会出现累计误差的问题,同时也解决了光电跟踪在阴雨天气无法工作的问题,取长补短,进一步提高了跟踪控制系统的控制精度。目前多数高精度的太阳能自动跟踪系统,都采用混合跟踪系统作为其控制核心[6~7]。2.2位置信号的调整执行机构是根据控制系统计算并转化出的太阳位置信号,直接操作,调整工作平台跟踪的结构部分其运行情况直接影响系统的跟踪精度。执行机构一般包括执行电机和传动机构。2.2.1步进电机的选择执行电机属于执行机构中的动力元件,整个执行机构的动力都由执行电机提供。常用的执行电机种类很多,但是在精密跟踪中一般都是采用步进电机。因为步进电机的最小运作单位是步距角,目前市场上步进电机的步距角一般有0.3度/0.72度(五相电机)、0.9度/1.8度(二、四相电机)、1.5度/3度(三相电机)等,这种单位运行方式的电机在工作时容易控制回转精度,且回转精度较高,因此步进电机自然就成了太阳能自动跟踪系统中执行电机的必然选择。2.2.2蜗轮蜗杆传动机构传动机构主要是用来直接对工作台进行行调整的机构。传动机构的形式很多,按照传动方式的不同可以分为回转传动机构和直线传动机构[8~16]。1)回转传动机构。回转传动机构一般是太阳能自动跟踪系统中最常用的传动机构,其主要包括普通齿轮传动机构和蜗轮蜗杆传动机构。1齿轮传动机构的主要特点是齿轮制造简单容易拆装、维修方便、机构造价低、传动效率高,使用组合的齿轮减速器进行传动可以获得较大的传动比,但是齿轮传动在运行过程中噪音和震动较大,无自锁机构,传动精度相对较低。2蜗轮蜗杆传动机构的特点是制造过程相对复杂、不易拆装和维修、机构造价较高、传动效率低但是单级蜗轮蜗杆传动可以获得很大的传动比(i=8~80)、结构紧凑、运行较稳定、噪音和震动相对较小并具有自锁、传动精度高等特点。2)直线传动机构。由于直线传动机构具有占空间较大的缺点,所以在太阳能自动跟踪系统中使用的相对较少,若使用,则均是使用在太阳能自动跟踪的高度角方向的传动中。直线传动机构主要包括齿轮齿条传动机构、丝杠螺母副传动机构和液压传动机构。1齿轮齿条传动机构。该传动机构的主要特点是机构简单、制造方便、易于拆装和维修,但与普通齿轮传动机构相似,在传动过程当中,机构的噪音和震动会比较大,传动不稳定,且齿轮齿条工作时磨损相对较大,因此这种机构的寿命也较短。2丝杠螺母副传动机构。该传动机构的主要特点是,该传动机构工作时的稳定性较高,传动精度较高,便于控制与计算,特别适用于控制精度要求较高的装置,但是该机构结构复杂,不易于制造拆装和维修,且传动效率较低,仅有30%~40%,传动时的主要失效形式是由于摩擦造成齿面磨损,同时,摩擦的存在,也从一定程度上限制了丝杠螺母副的寿命。3液压传动机构。液压传动机构可以做到无极变速,其传动时不仅震动较小,而且较稳定。该机构可以解决较大转矩和力矩的传动问题,但是由于液压传动系统的传递介质为液体,而液体的体积和压缩率会受到外界温度的影响,故一般在太阳能自动跟踪系统这种应用于室外的系统中,液压传动机构的控制就成了人们要解决的一个较困难的问题了。3太阳能自动跟踪系统的可行性及研究方向太阳能以其取之不尽、用之不竭、绿色环保、自由公平的特点成为人们瞩目的焦点,太阳能的利用已成为21世纪重大的研究课题之一,且具有非常广阔的应用前景。利用太阳能自动跟踪系统,可以大大提高太阳能的利用率。从目前的研究现状来看,控制系统中的混合跟踪系统即为视日轨迹跟踪方法与光电跟踪方法相结合的跟踪系统,它不仅弥补了视日轨迹跟踪过程中会出现累计误差的问题,而且也解决了光电跟踪在阴雨天气无法工作的问题,真正实现了对太阳的全天候实时跟踪。混合跟踪系统跟踪精度最高,具有无可比拟的优越性。执行机构中的蜗轮蜗杆传动机构和丝杠螺母传动机构,以其传动精度高及传动稳定而倍受人们青睐。一个真正的运行正常、高效的太阳能自动跟踪系统并不是单一的由