太陽能在綠色能源中的應用

0太陽能自動跟蹤系統(tǒng)由于能源危機日益嚴重，利用太陽能的清潔和經(jīng)濟優(yōu)勢逐漸被認為是取代化石能源的最佳選擇之一。目前關于太陽能的利用形式很多,其中以太陽能光伏發(fā)電與太陽能熱發(fā)電的應用最為廣泛。在太陽能發(fā)電技術的快速發(fā)展中,人們發(fā)現(xiàn),對太陽位置進行跟蹤,可以從很大程度上提高太陽能的利用率,進而提高發(fā)電效率,因此,太陽能自動跟蹤系統(tǒng)就應運而生了。國外對于太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研究已相對成熟,特別是美國、德國、西班牙等國家,對太陽能利用方面的技術較為先進。而國內對于該方面的研究起步較晚,技術還不夠成熟。盡管太陽能具有清潔、經(jīng)濟、儲量大等優(yōu)點,但太陽能也具有很多缺點,比如:太陽輻射方向時刻在變;太陽能總能量大,但能流密度較小;太陽輻射能受天氣影響較大等。在太陽能熱利用中,為了得到中高溫熱能,必須使集熱器從日出到日落跟蹤太陽。在太陽能光伏發(fā)電中,相同條件下,自動跟蹤發(fā)電設備要比固定發(fā)電設備的發(fā)電量提高35%,成本下降25%。因此在太陽能利用中,為了提高太陽能利用率,對太陽進行跟蹤是非常必要的。1太陽跟蹤動作控制太陽能自動跟蹤系統(tǒng)主要包括控制系統(tǒng)和執(zhí)行機構兩部分。系統(tǒng)工作時,先由控制系統(tǒng)計算或判斷太陽位置信息,而后輸出控制信號,經(jīng)過執(zhí)行機構的具體控制,使工作平臺轉向期望的對準位置,完成對太陽的跟蹤動作。太陽能自動跟蹤系統(tǒng)按照控制系統(tǒng)跟蹤方式的不同可以分為:視日軌跡跟蹤系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)、基于數(shù)字圖像處理的跟蹤系統(tǒng)和混合跟蹤系統(tǒng)。按照執(zhí)行機構的不同可以分為:單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。2太陽能跟蹤系統(tǒng)的組成2.1執(zhí)行的信號轉換控制系統(tǒng)是用來在跟蹤太陽時,根據(jù)不同的跟蹤控制方式運算或判斷太陽位置,并將太陽的位置信息轉換成執(zhí)行機構的輸入信號的主要部分。目前,國內外公認的跟蹤精度較高的控制系統(tǒng)有視日軌跡跟蹤系統(tǒng)、光電跟蹤系統(tǒng)和基于數(shù)字圖像處理的跟蹤系統(tǒng)和混合跟蹤系統(tǒng)。2.1.1跟蹤系統(tǒng)計算方法這種跟蹤系統(tǒng)的控制算法是純數(shù)字計算式的方法,即該控制方法在跟蹤時完全使用天文公式進行計算,計算出太陽相對于觀測地的位置,以不同形式表示出這種位置關系,然后輸出控制信號,調整設備的方向。該算法不受外界環(huán)境影響,屬于開環(huán)控制系統(tǒng),工作穩(wěn)定性強,但是由于天文公式存在累計計算誤差,故該跟蹤系統(tǒng)的精度相對不高。首先在太陽運動軌跡計算時,存在兩種計算坐標系:地平面坐標系和赤道坐標系,如圖1、圖2所示。圖1中所示的地平面坐標系是采用高度角h和方位角A兩個角度來描述太陽位置,其計算公式為:圖2中所示的赤道坐標系是根據(jù)太陽在赤道平面上的投影每小時轉動15°,使用太陽相對某一經(jīng)度線的運行時間t和赤緯角δ角來描述太陽位置的,其計算方法為:式中:n———積日,即當天在年內的順序號,如2月1日是一年中的第32天,n=32。綜合比較以上兩種坐標系下的太陽位置計算方法,采用地平面坐標系進行計算的結果精確度相對較高,且目前國內外均采樣地平面坐標系來作為視日軌跡跟蹤的主要計算方法。2.1.2外部光柵傳感器這種系統(tǒng)控制算法是根據(jù)太陽入射光線的方向由檢測裝置實時檢測光線入射情況,再由微電子電路運算檢測裝置與入射光線對準狀態(tài),若對準,則無輸出信號;若沒有對準,則向執(zhí)行機構輸出微電信號控制執(zhí)行機構調整工作臺,直至完成太陽的對準動作。該算法可以實時的調整工作平臺跟蹤太陽,屬于閉環(huán)式控制系統(tǒng),跟蹤精度較高,但其受外界環(huán)境影響較為嚴重,特別是受陰雨天氣影響嚴重,系統(tǒng)工作穩(wěn)定性不高。光電跟蹤系統(tǒng)的光電檢測元件有以下三種不同的形式,見圖3。圖3(a)為隔板式光電傳感器,其結構是將隔板垂直安裝于底座上,隔板兩側安裝有兩塊光敏元件工作時,當太陽入射光線平行于隔板入射時,即為對準狀態(tài);當入射光線與隔板呈一定夾角時,兩側光敏元件由于感光不同,會輸出微電信號差,進而控制執(zhí)行機構調整工作臺位置。該光電檢測方式結構簡單、造價低、安裝方便,但是其傳感精度不高容易受到外界光源或其它物體散射光的影響,運行穩(wěn)定性較低。圖3(b)為金字塔式光電傳感器,與隔板式有類似之處,使用“金字塔形”的錐形鏡作為感光媒介錐形鏡底部四個側面的投影位置上各安裝一塊光敏元件。工作時,當太陽光線分布于四個側面上的輻射強度相同是,即太陽光垂直于錐形鏡底面,此時為對準狀態(tài);當四個側面上的輻射強度不同時,以相對兩個側面投影位置上的光敏元件為一組,輸出微電信號差,來控制執(zhí)行機構動作。這種光電檢測方式結構簡單、造價較低、安裝較方便,跟蹤精度相對隔板式要高,但它與隔板式在工作時同樣受外界光源或其它物體散射光的影響,運行穩(wěn)定性不高。圖3(c)為光筒式光電傳感器,其結構是在安裝有4個光敏元件的底座上,增加安裝一個光筒。工作時,陽光由光筒入射至底座的光敏元件上,呈現(xiàn)圖所示的相,當陽光所呈的相(即陰影部分)完全覆蓋光敏元件時,即為對準狀態(tài);若陽光所成相不能完全覆蓋光敏元件時,則以相對的兩個光敏元件為一組輸出微電信號差,來控制執(zhí)行機構動作。這種光電檢測方式結構復雜、造價較高、安裝配合較復雜,但是其解決了隔板式和金字塔式受外界光源和物體散射光影響的問題,工作穩(wěn)定性與跟蹤精度遠高于前兩種光電傳感方式。2.1.3亮斑位置的識別這種系統(tǒng)的提出相對較晚,但其正常工作時的精度卻非常高,技術可靠性較強。其工作方式也很簡單,即在跟蹤時使用高清攝像頭采集某一時刻的天空圖像,然后使用計算機分析圖像中最亮的亮斑(即太陽)在圖像中的位置,若亮斑在采集圖像的幾何中心位置時,則說明系統(tǒng)此時已與太陽對準;若亮斑不在采集圖像的幾何中心時,則由控制系統(tǒng)計算亮斑距離圖像幾何中心的位置差,然后輸出控制信號,驅動執(zhí)行機構調整工作臺對太陽進行對準,之后再次采集天空圖像,判斷對準情況。該算法工作效果與光電跟蹤系統(tǒng)類似,都可以實時的對太陽位置進行跟蹤,屬于閉環(huán)控制系統(tǒng),但是同樣,這種控制系統(tǒng)也易受外界環(huán)境的影響,特別是陰雨天氣的影響,系統(tǒng)工作穩(wěn)定性不高。2.1.4系統(tǒng)自動轉變?yōu)楣怆姼櫹到y(tǒng)混合跟蹤系統(tǒng)即為視日軌跡跟蹤方法與光電跟蹤方法相結合的跟蹤系統(tǒng)。當天氣晴朗時使用光電跟蹤方法,對太陽進行實時跟蹤;天氣陰暗時,控制系統(tǒng)將改為視日軌跡跟蹤方法,利用系統(tǒng)內部的時間,對跟蹤裝置進行調整控制,待到天氣由陰轉晴時,系統(tǒng)會自動轉變?yōu)楣怆姼櫡椒?實時跟蹤太陽的具體位置。這種跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)點就在于,它彌補了視日軌跡跟蹤過程中會出現(xiàn)累計誤差的問題,同時也解決了光電跟蹤在陰雨天氣無法工作的問題,取長補短,進一步提高了跟蹤控制系統(tǒng)的控制精度。目前多數(shù)高精度的太陽能自動跟蹤系統(tǒng),都采用混合跟蹤系統(tǒng)作為其控制核心[6~7]。2.2位置信號的調整執(zhí)行機構是根據(jù)控制系統(tǒng)計算并轉化出的太陽位置信號,直接操作,調整工作平臺跟蹤的結構部分其運行情況直接影響系統(tǒng)的跟蹤精度。執(zhí)行機構一般包括執(zhí)行電機和傳動機構。2.2.1步進電機的選擇執(zhí)行電機屬于執(zhí)行機構中的動力元件,整個執(zhí)行機構的動力都由執(zhí)行電機提供。常用的執(zhí)行電機種類很多,但是在精密跟蹤中一般都是采用步進電機。因為步進電機的最小運作單位是步距角,目前市場上步進電機的步距角一般有0.3度/0.72度(五相電機)、0.9度/1.8度(二、四相電機)、1.5度/3度(三相電機)等,這種單位運行方式的電機在工作時容易控制回轉精度,且回轉精度較高,因此步進電機自然就成了太陽能自動跟蹤系統(tǒng)中執(zhí)行電機的必然選擇。2.2.2蝸輪蝸桿傳動機構傳動機構主要是用來直接對工作臺進行行調整的機構。傳動機構的形式很多,按照傳動方式的不同可以分為回轉傳動機構和直線傳動機構[8~16]。1)回轉傳動機構?；剞D傳動機構一般是太陽能自動跟蹤系統(tǒng)中最常用的傳動機構,其主要包括普通齒輪傳動機構和蝸輪蝸桿傳動機構。1齒輪傳動機構的主要特點是齒輪制造簡單容易拆裝、維修方便、機構造價低、傳動效率高,使用組合的齒輪減速器進行傳動可以獲得較大的傳動比,但是齒輪傳動在運行過程中噪音和震動較大,無自鎖機構,傳動精度相對較低。2蝸輪蝸桿傳動機構的特點是制造過程相對復雜、不易拆裝和維修、機構造價較高、傳動效率低但是單級蝸輪蝸桿傳動可以獲得很大的傳動比(i=8~80)、結構緊湊、運行較穩(wěn)定、噪音和震動相對較小并具有自鎖、傳動精度高等特點。2)直線傳動機構。由于直線傳動機構具有占空間較大的缺點,所以在太陽能自動跟蹤系統(tǒng)中使用的相對較少,若使用,則均是使用在太陽能自動跟蹤的高度角方向的傳動中。直線傳動機構主要包括齒輪齒條傳動機構、絲杠螺母副傳動機構和液壓傳動機構。1齒輪齒條傳動機構。該傳動機構的主要特點是機構簡單、制造方便、易于拆裝和維修,但與普通齒輪傳動機構相似,在傳動過程當中,機構的噪音和震動會比較大,傳動不穩(wěn)定,且齒輪齒條工作時磨損相對較大,因此這種機構的壽命也較短。2絲杠螺母副傳動機構。該傳動機構的主要特點是,該傳動機構工作時的穩(wěn)定性較高,傳動精度較高,便于控制與計算,特別適用于控制精度要求較高的裝置,但是該機構結構復雜,不易于制造拆裝和維修,且傳動效率較低,僅有30%~40%,傳動時的主要失效形式是由于摩擦造成齒面磨損,同時,摩擦的存在,也從一定程度上限制了絲杠螺母副的壽命。3液壓傳動機構。液壓傳動機構可以做到無極變速,其傳動時不僅震動較小,而且較穩(wěn)定。該機構可以解決較大轉矩和力矩的傳動問題,但是由于液壓傳動系統(tǒng)的傳遞介質為液體,而液體的體積和壓縮率會受到外界溫度的影響,故一般在太陽能自動跟蹤系統(tǒng)這種應用于室外的系統(tǒng)中,液壓傳動機構的控制就成了人們要解決的一個較困難的問題了。3太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的可行性及研究方向太陽能以其取之不盡、用之不竭、綠色環(huán)保、自由公平的特點成為人們矚目的焦點,太陽能的利用已成為21世紀重大的研究課題之一,且具有非常廣闊的應用前景。利用太陽能自動跟蹤系統(tǒng),可以大大提高太陽能的利用率。從目前的研究現(xiàn)狀來看,控制系統(tǒng)中的混合跟蹤系統(tǒng)即為視日軌跡跟蹤方法與光電跟蹤方法相結合的跟蹤系統(tǒng),它不僅彌補了視日軌跡跟蹤過程中會出現(xiàn)累計誤差的問題,而且也解決了光電跟蹤在陰雨天氣無法工作的問題,真正實現(xiàn)了對太陽的全天候實時跟蹤?；旌细櫹到y(tǒng)跟蹤精度最高,具有無可比擬的優(yōu)越性。執(zhí)行機構中的蝸輪蝸桿傳動機構和絲杠螺母傳動機構,以其傳動精度高及傳動穩(wěn)定而倍受人們青睞。一個真正的運行正常、高效的太陽能自動跟蹤系統(tǒng)并不是單一的由