本作品属聚光型光伏发电供热系统,主要由聚光子系统、冷却子系统、伺服跟踪子系统组成。聚光子系统采用双抛物面均匀反射新型聚光方法,可获得高平行度、高聚光比的汇聚光;冷却子系统采用滤红外线和水冷法相结合的新型冷却技术,改善对光伏电板的降温效果;伺服跟踪子系统采用太阳轨迹跟踪的日历法结合光伏电板功率扰动爬山法的新型无光传感器组合跟踪策略,减少光检测元件的硬件投资,提高跟踪速度,增强跟踪的稳定性和抗扰能力。
本系统主要由光伏电板、小抛物面型反射板、大抛物面型反射板、红外滤光片、水冷型金属导热片、冷水水箱、储热水箱、东西偏角调节伺服底盘、迎光仰角调节伺服转轴、伺服控制电路、时钟日历电路和功率检测电路等组成。大、小两个抛物面型反射板凹面相对安装放置,且两者的法轴线共线、焦点重合;红外滤光片放置在两抛物面型反射板焦点的前后附近,且其法轴线与两个抛物面型反射板的法轴线共线;光伏电板固定在大抛物面型反射板的凹面底部;光伏电板电压输出端通过导线与电压检测电路相连接;大抛物面型反射板安装在东西偏角调节伺服底盘上方,并通过支承部件与迎光仰角调节伺服转轴相连接;东西偏角调节伺服底盘和迎光仰角调节伺服转轴各自采用一套步进电机驱动,所述两套步进电机均与伺服控制电路相连接;伺服控制电路还需与时钟日历电路和功率检测电路相连接;光伏电板背面紧贴安装水冷型金属导热片,后者与冷水水箱和储热水箱相连接;储热水箱进水口处安装温控阀门。
本系统采用基于混合跟踪策略(日历法结合功率扰动爬山法)的无光传感器太阳光自动跟踪方法以及两轴伺服运动机构自动追踪太阳。当抛物面的法向轴线对准太阳后,通过大抛物面聚光、小抛物面散光和红外滤光功能部件,将太阳入射光变换成一束均匀、平行且无红外波长的高强度光,垂直照射到光伏电板上,水冷却部件起到对光伏电板的辅助降温作用,避免光伏电板局部受热和红外线聚集发热的问题;作品具有整机单位面积发电效率和发电量高,单位功率造价低,光伏电板寿命长,动静态稳定性好等优点。
抛物面的法向轴线对准太阳后,平行于抛物面法向轴线的太阳光经大抛物面型反射板反射后聚集在一条焦线上,并通过抛物面焦点附近的红外滤光片,滤去了绝大部分红外线。通过滤光片的汇聚太阳光因过小抛物面的焦点,经小抛物面型反射板反射后变为平行汇聚的太阳光,均匀地投射到光伏电板上。光伏电板所发的电通过电线引出,既可处理后直接使用,也可储存在蓄电池中或并网使用。光伏电板产生的热量,被其背面安装的水冷型金属散热细管内的水吸收,当细管内的水达到一定的温度,温控水阀自动开关,使得外部冷水流入散热细管,内部热水流出到外部储热水箱,以供生活和生产使用。
为了节约控制机构的功耗,带动东西偏角和迎光仰角转轴转动来跟踪太阳,本作品配置断电自动锁死功能的电磁抱刹机构,以保证电机断电后,两轴伺服机构保持原位。
伺服控制电路内部存储了装置安装地点在不同月、日、时条件下的装置太阳光跟踪所需的姿态角度,包括东西偏角和迎光仰角。伺服控制电路先通过时钟日历电路给出的时间信息来驱使东西偏角调节伺服底盘和迎光仰角调节伺服转轴运动,以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的粗调,再通过功率检测电路给出的光伏电板实时功率信息,应用爬山法微调东西偏角调节伺服底盘和迎光仰角调节伺服转轴的位置,以实现大抛物面型反射板跟踪太阳光直射位置的准确细调。伺服控制电路每间隔5-10分钟进行一次装置跟踪太阳光的粗调和细调动作,以保证本系统跟踪太阳的准确性。
为了增强系统的可操作性,本系统控制器增配有无线数据通讯接口。通过此接口,操作人员可以通过远程无线通讯的方式,在远程计算机上实时获取本系统安装现场的运行姿态和发电参数,也可利用远程计算机向控制器发送控制参数(如模糊智能决策逻辑规则,允许迎光角度偏差和各种阀值参数等)和控制命令(如停机、复位和强制定位等),以方便操作人员对本系统的实时监控和安装调试。
第十二届“挑战杯”作品 一等奖
[1]2010年11月,在某省高校第七届大学生物理及实验科技作品创新竞赛中获“特等奖”;
[2]2010年12月,在某大学第三届大学生课外学术科技作品竞赛中获“特等奖”。