自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术

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1、自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术自动跟踪聚焦式太阳能光伏发电技术 摘 要：详细阐述了已研制成功的精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的组成，包括结构、部件、配套设备等，同时介绍了系统的主要技术，分析了该技术的先进性及其带来的经济效益。 关键词：自动跟踪；聚焦式；太阳能光伏发电：系统 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

2、 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

3、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焦式光伏发电系统的组成图 1 精密太阳能自动跟踪聚焦式光伏发电系统的组成 1.2 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

4、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 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 1200000:垂直 300000:1），所以可大大减小电机的

5、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

6、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

7、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）。 2 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

8、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

9、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，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

10、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。