（1.河南省交通运输厅高速公路洛阳管理处 河南洛阳 471023；2.长安大学 陕西西安 710064）
摘要：本文为了提高传统太阳能发电装置的能源利用效率，研究设计出了一种可多次吸收的视日跟踪型太阳能发电装置。首先给出了该装置的设计思路和设计要求；随后给出了相应的解决方案：曲面和光电转换杆的设计和材料的选择，太阳能跟踪方式选取。最后给出了各个部分的具体实施方案，以及实物图和总体流程图。相对于以往的太阳能，此装置能源利用效率更高。
关键字：能源利用效率；新型太阳能；视日跟踪
引言：
随着人们对太阳能利用的深入研究，太阳能发电系统逐步应用到生活的众多方面，而且达到了很好的效果。尤其在能源发电方面，太阳能得到了很好地利用，但是，传统的太阳能发电设备仍然存在各方面的缺陷，这使得太阳能的利用效率较低[1]。近年来人们从太阳能电池材料、钢化玻璃透光性、电池表面涂层、自动跟踪系统等方面进行了研究，其最终目的都是为了提高发电设备的太阳能的利用效率。下文研究的新型太阳能发电装置亦为达到此目的[2]。
1.新型太阳能发电装置的设计思路
为了在原有的基础上提高设备的光电转换效率，试图通过改变传统太阳能发电设备的结构，设计一种新型太阳能发电设备，不但可以对太阳光经过多次吸收，而且具有太阳自动跟踪装置，通过控制系统驱动电机对太阳能设备的朝向以及角度进行调整，提高太阳能的入射量，从而达到提高设备太阳能吸收效率的目的。
1.1、设计思路来源
传统的太阳能聚光器利用抛物镜面将太阳能进行反射，然后使太阳光聚集在抛物面的球心位置，使该位置的太阳能不断增加，人们通常利用聚集在该点的太阳能进行加热操作。通过这样的设备我们可以想到一个思路：如果将该聚光器抛物镜面改装成太阳能电池，制作成抛物面型的太阳能发电设备，可以对太阳光进行吸收发电。[3-5]但是，经过分析发现，如果我们想对太阳光进行二次或者多次吸收，这样的设计是不合理的，因为根据太阳能聚光器的原理，太阳光经过抛物面设备反射后依然会聚集在一点，此处的能量会越来越高，最后会超出光电转换设备最大承受温度。所以想要再次吸收反射后的太阳能，就必须将反射后的太阳能分散开来。接下来介绍一个新的设计思路。
1.2、基本设计思路
通过上述分析，为了使经过反射后的太阳能分散开来，不再聚集在一个点上。通过研究分析，我们改变了抛物面的形状，拟合出了一种新的曲面，这种曲面是由一个个同心圆累积而成，反射后的太阳能经过该曲面后会聚集成一个线状，这个线状正好与各个同心圆的圆心连接而成线状重合。
因此，我们可以设计这样的一个曲面，然后在同心圆的圆心位置设计一个杆状的光电转换设备。至此，新型太阳能发电装置的初步模型就基本形成。
2.具体设计
2.1、曲面的设计
按照上面的基本思路分析，通过相应的数学工具再结合光学理论，我们拟合出了可以满足设计条件的曲面。接下来我们通过提取曲面的截图，研究垂直太阳光入射到该曲面的情况，假设该曲面始终垂直朝向太阳，画出此种情况下太阳光光线轨迹，并设计草图3.1如下所示。
从上图中我们可以发现，当太阳光垂直入射到该曲面时，左右相对称位置反射后的光线总会相交于一点，而所有的点连接起来就汇聚成了一条线，如图中所示的那条粗黑线。
2.2、杆状光电转换设备的设计
通过上述的分析，我们知道太阳光通过上述设计好的曲面反射后，会汇聚形成线状。在起初设计时，我们就是希望可以将反射后的太阳光进行二次吸收利用，将其转换成电能，提高传统太阳能发电装置的能源转换效率。因此，对于经过反射后太阳光形成的线状可以用类似杆状的光电转换设备来取代，通过这样的设备，就可以将反射后的太阳光进行二次吸收利用。曲面整体设计草图2.2如下所示。
2.3、太阳能电池材料的选择
因为上述设计的曲面形状要求所选用的材料需要较好的操作性，并且要求低成本，设计初衷就是为了提高传统太阳能发电设备的光电转换效率，所以选择的材料首先要具备较好的光电转换效率。
综合效率、可操作性、价格等因素，再加之使用环境，普及度等因素，选择多元化合物薄膜材料更为合适，不仅光电转换效率高，还具有成本等方面的优势，前景被看好。单晶硅、多晶硅或染料敏化材料次之。[6]因此，在设计时太阳能曲面以及杆状设备材料的最佳选择应该是多元化合物薄膜材料，这种材料从各方面都满足了我们的设计要求。
2.4、太阳能自动跟踪系统研究
在设计好整个光电转换部分以及研究选择好所需的材料，完成太阳能多次吸收之外，要在原有的基础上更大限度地提高太阳能的利用效率，还应提高太阳光入射强度。目前国内外采用的跟踪太阳的方法有很多，但不外乎三种方式：①光电跟踪；②视日运动轨迹跟踪；③视日运动轨迹跟踪和光电跟踪相结合。[7]
光电跟踪是闭环的随机系统。其结构简单、灵敏度高，但是容易受天气条件影响。视日运动轨迹跟踪是开环的控制系统，其跟踪过程不受外界环境干扰，有较高的可靠性，但是跟踪过程易产生误差。[8]
如果两者结合，各取其长处，可以获得较满意的跟踪结果。在视日运动轨迹跟踪的基础上加两个高精度角度传感器，当跟踪装置开始运行时，用两片高精度角度传感器初始定位，在运行当中，以程序控制为主，角度传感器瞬时测量作反馈，对程序进行累积误差修正。这样能在任何气候条件下使聚光器得到稳定而可靠的跟踪控制。本文我们采用了此种方法。
3.整体设计成果及其工作流程
3.1整体设计成果
此新型太阳能发电装置主要包括太阳能吸收曲面装置1，太阳能吸收杆状装置2，光电信号分析系统13，控制系统14，转动系统20，功耗分析比较系统17以及光电传感器。实物图及标号说明表如下所示：
图3.2 太阳能发电装置的工作流程图
4.总结
通过上面的研究分析，利用数学工具对所提出的设计思路进行计算验证，并给出了这种新型太阳能发电设备的设计草图。根据设计图详细分析了该设计能否满足设计要求，经分析后可知该设计符合设计要求，可以达到提高可再生能源利用效率的目的。而且在基本设计的基础上，还给出了视日自动跟踪系统，来再次弥补该设计装置的效率，更大程度的提高太阳能的利用率，提高太阳能利用在现实生活中的实用性，促进可再生能源利用行业的相关研究发展。
参考文献：
[1] 密保秀，高志强，邓先宇，黄维.基于有机薄膜的太阳能电池材料与器件研究进展[J].中国科学（B辑：化学）.2008（11）
[2] 余海.太阳能利用综述及提高其利用率的途径[J].能源研究与利用.2004（03）
[3] 太阳能光伏发电发展情况[J].华北电力技术.2004（06）
[4] 国外太阳能利用研究概况[J].哈铁科技通讯.1979（07）
[5] 王锦侠，车茂隆，天火.太阳能利用的谈古说今[J].太阳能.1980（01）
[6] 最轻薄有机太阳能电池问世[J].化工中间体.2012（04）
[7] 吕文华，贺晓雷，于贺军，李建英.全自动太阳跟踪器的研制和应用[J].光学精密工程.2008（12）
[8] 孙茵茵，鲍剑斌，王凡.太阳自动跟踪器的研究[J].机械设计与制造.2005（07）
作者简介：
王珊珊（1981—），女，河南荥阳，1981年毕业于中南大学交通工程专业，助理工程师，长期从事节能和交通工程等方面的分析研究工作。
王腾娜（1992—），女，陕西西安，现为长安大学硕士在读，主要从事互联网、新能源利用、神经网络等方面的分析研究工作。
基金项目：由河南省交通运输厅科技计划项目《河南省山区高速公路可再生能源利用研究》资助。
论文作者:王珊珊,王腾娜, 刘晓菲
论文发表刊物:《电力设备》2015年6期供稿
论文发表时间:2016/1/12
标签：太阳能论文; 曲面论文; 太阳光论文; 光电论文; 装置论文; 出了论文; 效率论文; 《电力设备》2015年6期供稿论文;