【文章內(nèi)容簡介】 美國能源部制定了從 2020年 1月 1日開始的 5年國家光伏計(jì)劃和 2020～ 2030年的長期規(guī)劃 ,以實(shí)現(xiàn)美國能源、環(huán)境、社會(huì)發(fā)展和保持光伏產(chǎn)業(yè)世界領(lǐng)導(dǎo)地位的戰(zhàn)略目標(biāo)。按照預(yù)計(jì)的發(fā)展速度 ,2020 年美國光伏銷售達(dá)到 。發(fā)展中國家的光伏產(chǎn)業(yè)近幾年一直保持世界光伏組件產(chǎn)量的 10%左右。預(yù)測(cè)未來 10年仍將保持 10%或稍高的發(fā)展水平 ,達(dá)到(約 %)。 其中印度近幾年發(fā)展迅速 ,居發(fā)展中國家領(lǐng)先地位 ,目前光伏系統(tǒng)的年生產(chǎn)量約10MW,累計(jì)安裝量 40～ 50MW。因此 ,到 2020年世界光伏系統(tǒng)累計(jì)安裝容量將達(dá)到 14～ 15GW。 太陽能光伏發(fā)電是太陽能利用的重要方式 , 隨著國家西部開發(fā)政策的推行及光明工程的實(shí)施 , 太陽能光伏發(fā)電技術(shù)取得了較快發(fā)展。目前我國已建成的較大的光伏電站有西藏雙湖 25千瓦光伏電太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 站，西藏安多 100千瓦光伏電站以及目前中國最大的新疆北塔山牧場 150千瓦太陽能光伏電站等。這些電站都建在光照充足，地理位置偏僻，電網(wǎng)不能到達(dá)的地區(qū)。近來一些幾瓦到幾百 瓦的中小型光伏發(fā)電應(yīng)用系統(tǒng)也出現(xiàn)在生活中，如太陽能交通警示燈，高速公路上的太陽能廣告牌，太陽能路燈等。 2020年我國系統(tǒng)累計(jì)裝機(jī)容量為 70MW，《中華人民共和國可再生能源法》，承諾 2020年太陽能光伏累計(jì)裝機(jī)容量 450MW。從國家發(fā)改委制定的中長期規(guī)劃看 ,20202020年每年的平均裝機(jī)容量約60MW。 雖然我國太陽能發(fā)電水平有了相當(dāng)程度的提高，但是離大規(guī)模的應(yīng)用推廣還有很大的距離，光伏產(chǎn)業(yè)還處于成長期。隨著技術(shù)的進(jìn)步，光伏系統(tǒng)的成本會(huì)越來越低，性能會(huì)越來越好，應(yīng)用的領(lǐng)域會(huì)越來越寬廣。 （ 四 ） 幾種主要的太 陽能發(fā)電裝置 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作過程是：太陽輻射熱被定日鏡反射集中后，被塔頂?shù)慕邮掌魑?，接收器上的聚光倍率可超過 1000倍。在這里把吸收的太陽七能轉(zhuǎn)換成熱能，然后由傳熱介質(zhì)經(jīng)過蓄熱環(huán)節(jié)，再輸入熱動(dòng)力機(jī)，膨脹做功，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，最后以電能的形式輸出，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。其概念設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)如圖 ，整個(gè)系統(tǒng)由 4部分組成 :聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)。 圖 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 塔式太陽能發(fā)電站的聚光子系統(tǒng)是大量按一定排列方式布置的平面反 射鏡陣列群 .它們按四個(gè)象限分布在高大的中心接收塔四周，形成一個(gè)巨大的鏡場。由于接收器的安裝是固定不變的，為了使一天中所有時(shí)刻的太陽輻射都能通過反射鏡面反射到固定不動(dòng)的接收器上，反射鏡必須設(shè)置跟蹤裝置，跟蹤過程當(dāng)中要確保定日鏡的反射光線方向保持不變。 由幾何光學(xué)基本知識(shí)可知，要使反射光線方向保持不變，當(dāng)入射光線偏轉(zhuǎn) ? 角度時(shí)，平面鏡需要偏轉(zhuǎn) ? /2角度。對(duì)于定日鏡來說，如果入射光線在太陽方位角和高度角方向分別偏轉(zhuǎn) ? 角度時(shí)，定日鏡也需要各自在方位角和高度角方向偏轉(zhuǎn) ? /2角度。 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5 在塔式系統(tǒng)中，各個(gè)定日鏡相對(duì)于中心塔有著不同的朝向和距離，因此，每個(gè)定日鏡的跟蹤都要進(jìn)行單獨(dú)的兩維控制，且各個(gè)定日鏡的控制各不相同。所以，在太陽能熱發(fā)電站中，塔式電站的控制系統(tǒng)最為復(fù)雜。 美國太陽 Ⅱ 號(hào)電站是世界上較為典型的塔式太陽能熱發(fā)電站，是在總結(jié)太陽 I號(hào)電站試運(yùn)行的基礎(chǔ)上，為推進(jìn)塔式太陽能熱發(fā)電站商用化進(jìn)程而建設(shè)的先導(dǎo)性工程。定日鏡采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié) 合的方式進(jìn)行跟蹤，當(dāng)定日鏡和接收器表面最大距離為 300m時(shí)，其跟蹤誤差為 91m，跟蹤角度精度達(dá)到 19176。 。 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)由聚光電池陣列、架體、方位和仰角驅(qū)動(dòng)器、跟蹤器、控制器組成。如圖 所示。聚光電池陣列由若干聚光電池串并聯(lián)構(gòu)成，若干陣列的串并聯(lián)還可構(gòu)成不同規(guī)模的聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)。 圖 聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的組成 聚光太陽電池是降低太陽電池利用總成本的一種措施 。它通過聚光器而使較大面積的太陽光會(huì)聚在一個(gè)較小的范圍內(nèi)，形成“焦斑 ” 或“ 焦帶”，并將太陽電池置于 這種 “ 焦斑 ” 或 “ 焦帶 ” 上，以增加光強(qiáng)，克服太陽輻射能流密度低的缺陷，從而獲得更多的電能輸出。 聚光太陽電池分兩類，一般低倍率的聚光，采用晶體硅太陽電池，適當(dāng)考慮散熱條件即可。如果聚光倍率增加到幾十倍以上，聚光太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率，一般應(yīng)大于 20%,且需耐高倍率的太陽輻射，特別是在較高溫度下的光電轉(zhuǎn)換性能要得到保證，故在半導(dǎo)體材料選擇、電池結(jié)構(gòu)和柵線設(shè)計(jì)等方面都要進(jìn)行一些特殊考慮。這時(shí)普通晶體硅太陽電池已無法承受，必須選用專門的材料和電池結(jié)構(gòu)制造聚光太陽電池。 太陽聚光器采用拆射式聚光器一一菲涅爾透鏡，它是 利用光在不同介質(zhì)的界面發(fā)生拆射的原理制成的，具有與一般球面透鏡相同的作用。特點(diǎn)是直徑很大的菲涅爾透鏡可以做的很薄，與球面透鏡相比可大大減輕透鏡的重量。菲涅爾透鏡也是聚光電池模塊的主要部件，具有體積小、重量輕、加工方便、透光率高等特點(diǎn)。菲涅爾透鏡一方面對(duì)太陽光進(jìn)行聚焦，另一方面對(duì)電池組件也起保護(hù)作用。它是電池模塊外罩的一部分，電池組件的散熱器位于電池外罩的陰影里 (正常跟蹤狀態(tài) )，不被太陽光直射，因而便于散熱，使電池的溫度低，效率較高。 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 圖 聚光太陽電池組件模塊的結(jié)構(gòu) 太陽能自動(dòng)跟蹤聚焦光伏發(fā)電系統(tǒng)是 采用聚焦的方式將太陽光的光能密度大大提高 (400倍以上 )，可使太陽能電池轉(zhuǎn)換效率提高，在小面積的單晶硅片上獲得大的電流。跟蹤過程當(dāng)中就是要確保太陽光線與透鏡的中軸線平行。 但是正是由于其高倍聚光的作用，落在光伏電池上的光斑能量很強(qiáng)，因此聚焦式光伏發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)是精確跟蹤太陽，其聚光比越大跟蹤精度要求就越高，聚光比為 400時(shí)跟蹤精度要求小于 176。 。在一般情況下跟蹤精度越高其結(jié)構(gòu)就越復(fù)雜，造價(jià)就越高，甚至造價(jià)高于光伏發(fā)電系統(tǒng)的光電池的總造價(jià)。 碟式系統(tǒng)也稱盤式系統(tǒng)。主要特征是采用盤 狀拋物面鏡聚光集熱器，其結(jié)構(gòu)從外形上看類似于大型拋物面雷達(dá)天線。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)大體上由 3部分組成 :旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、接收器和跟蹤裝置。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)工作原理比較簡單，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚焦在一點(diǎn)上，即為點(diǎn)聚焦，其聚光比可以高達(dá)數(shù)百到數(shù)千倍。在焦點(diǎn)處放置陽光接收器，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)動(dòng)力發(fā)電裝置發(fā)電 。或在焦點(diǎn)處直接放置發(fā)動(dòng)機(jī)組發(fā)電，如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)組構(gòu)成的碟式太陽能斯特林發(fā)電裝置，技術(shù)上更為先進(jìn)。 這種系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，作為無電邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型電源，一般功率為 1025kW，聚光鏡直徑約1015m。也可用于較大的用電戶，把數(shù)臺(tái)至十?dāng)?shù)臺(tái)裝置并聯(lián)起來，組成小型太陽能熱發(fā)電站。 旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡一般有幾十塊鏡面組構(gòu)而成，用剛結(jié)構(gòu)環(huán)作支撐體，整個(gè)盤鏡通過太陽高度角和方位角齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)安裝在鋼結(jié)構(gòu)機(jī)架上，通過雙軸跟蹤裝置控制即時(shí)跟蹤太陽。由于接收器安裝在碟式反射鏡的焦點(diǎn)上，那么只要碟式反射鏡的中軸線跟太陽光線平行，便能保證碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的太陽能轉(zhuǎn)換效率為最大。圖 。 圖 蝶式太陽能系統(tǒng)發(fā)電裝置 目前碟式發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤方式和塔式電站中定日鏡的跟蹤方式完全相同，多 采用視日運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤和傳感器跟蹤相結(jié)合的跟蹤方式。但是這種跟蹤方式算法復(fù)雜，成本高，對(duì)于小型碟式發(fā)電系統(tǒng)來說，可以考慮使用高精度傳感器跟蹤裝置來降低成本。 太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 （ 五 ） 太陽能跟蹤技術(shù)現(xiàn)狀 現(xiàn)階段國內(nèi)外已經(jīng)有的跟蹤裝置的跟蹤方式可分為單軸跟蹤和雙軸跟蹤兩種 。 (1)單軸跟蹤一般采用 ： 傾斜布置東西跟蹤 ； 焦線南北水平布置，東西跟蹤 ； 焦線東西水平布置，南北跟蹤。這三種方式都是單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的南北向或東西向跟蹤，工作原理基本相似。 圖 單軸焦線東西水平布置（南北跟蹤） 圖 3種跟蹤方式的原理，跟蹤系統(tǒng)的轉(zhuǎn)軸 (或 焦線 )東西向布置，根據(jù)事先計(jì)算的太陽方位的變化 ， 太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分繞轉(zhuǎn)軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)跟蹤太陽。采用這種跟蹤方式，一天之中只有正午時(shí)刻太陽光與柱形拋物面的母線相垂直，此時(shí)太陽能接收率最大 。而在早上或下午太陽光線都是斜射。單軸跟蹤的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但是由于入射光線不能始終與太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的主光軸平行，接收太陽能的效果并不理想。 (2)雙軸跟蹤又可以分為兩種方式 :極軸式全跟蹤和高度一方位角式全跟蹤。極軸式全跟蹤原理如圖 ，太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的一軸指向天球北極，即與地球自轉(zhuǎn)軸相平行，故稱 為極軸 ； 另一軸與極軸垂直，稱為赤緯軸。工作時(shí)太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分所在平面繞極軸運(yùn)轉(zhuǎn)，其轉(zhuǎn)速的設(shè)定與地球自轉(zhuǎn)角速度大小相同方向相反用以跟蹤太陽方位角 :反射鏡圍繞赤緯軸作俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)是為了適應(yīng)太陽高度角的變化，通常根據(jù)季節(jié)的變化定期調(diào)整。這種跟蹤方式并不復(fù)雜，但在結(jié)構(gòu)上反射鏡的重量不通過極軸軸線，極軸支承裝置的設(shè)計(jì)比較困難。 圖 極軸式跟蹤 高度 角 方位角式太陽跟蹤方法又稱為地平坐標(biāo)系雙軸跟蹤，其原理如圖 。太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的方位軸垂直于地平面，另一根軸與方位軸垂直，稱為俯仰軸。工作時(shí) 太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分根據(jù)太陽的視日運(yùn)動(dòng)繞方位軸轉(zhuǎn)動(dòng)改變方位角，繞俯仰軸作俯仰運(yùn)動(dòng)改變太陽能設(shè)太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 備的能量轉(zhuǎn)換部分的傾斜角，從而使能量轉(zhuǎn)換部分所在平面的主光軸始終與太陽光線平行。這種跟蹤系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟蹤精度高，而且太陽能設(shè)備的能量轉(zhuǎn)換部分的重量保持在垂直軸所在的平面內(nèi)，支承結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)比較容易。 圖 高度 方位角式全跟蹤 目前 ， 國外對(duì)于太陽光線自動(dòng)跟蹤裝置 (或稱為太陽跟蹤器 )的研究有，美國 Blackace，在 1997年研制了單軸太陽跟蹤器，完成了東西方向的自動(dòng)跟蹤，而南北方向則通過手動(dòng)調(diào)節(jié)，接收器對(duì) 太陽能的熱接收率提高了 15%。 1998年美國加州成功的研究了八 JM兩軸跟蹤器，并在太陽能面板上裝有集中陽光的涅耳透鏡，這樣可 以使小塊的太陽能面板硅收集更多能量，使熱收率進(jìn)一步提 ，該裝置通過大直徑回轉(zhuǎn)臺(tái)使太陽能接收器可從東到西跟蹤太陽，這個(gè)方位跟蹤器具有大直徑的軌跡，通風(fēng)窗體是白晝光照鼓膜結(jié)構(gòu)窗體，窗體上面是圓頂結(jié)構(gòu)，成排的太陽能收集器可以從東到西跟蹤太陽，以提高夏季能量的獲取率。 2020年 2月美國亞利桑那大學(xué)推出了新型太陽能跟蹤裝置，該裝置利用控制電機(jī)完成 跟蹤，采用鋁型材框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，大大拓寬了跟蹤器的應(yīng)用領(lǐng)域。 1994年在德國北部，太陽能廚房投入使用，該廚房也采用了單軸太陽能跟蹤裝置 1321。捷克科學(xué)院物理研究所則以形狀記憶合金調(diào)節(jié)器為基礎(chǔ)，通過日照溫度的變化實(shí)現(xiàn)了單軸被動(dòng)式太陽跟蹤。 近幾年來國內(nèi)不少專家學(xué)者也相繼開展了這方面的研究。 1929 年推出了太陽灶 自動(dòng)跟蹤系統(tǒng) 。1994年《太陽能》雜志介紹的單軸液壓自動(dòng)跟蹤器，完成了單軸跟蹤，國家氣象局計(jì)量站在 1990 年研制了 FST型全自動(dòng)太陽跟蹤器，成功的應(yīng)用于太陽輻射觀測(cè) 。 不論是 單 軸跟蹤或 雙軸跟蹤，太陽跟蹤裝置可分為 ： 時(shí)鐘式、程序控制式、壓差式、控放式、光電式和用于天文觀測(cè)和氣象臺(tái)的太陽跟蹤裝置幾種。 （ 1）時(shí)鐘式太陽跟蹤裝置是一種被動(dòng)式的跟蹤裝置，有單軸和雙軸兩種形式，其控制方法是定時(shí)法。根據(jù)太陽在天空中每分鐘的運(yùn)動(dòng)角度，計(jì)算出太陽光接收器每分鐘應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，從而確定出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使得太陽光接收器根據(jù)太陽的位置而相應(yīng)變動(dòng)。雙軸跟蹤器的主要結(jié)構(gòu)是通過電機(jī)帶動(dòng)反射器以每小時(shí) 15度的恒速繞日軸轉(zhuǎn)動(dòng)，以跟蹤太陽的赤經(jīng)運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)反射器以每天以巧分的恒速繞季軸旋轉(zhuǎn)，以跟蹤太陽的赤緯運(yùn)動(dòng)。這 樣反射器就能全年和入射陽光相垂直，達(dá)到跟蹤太陽的目的。為了完成這兩個(gè)方向上的跟蹤，機(jī)構(gòu)應(yīng)該采用子午坐標(biāo)跟蹤系統(tǒng)。這種跟蹤裝置的主要優(yōu)點(diǎn)是 :結(jié)構(gòu)簡單，便于制造，并且該裝置的控制系統(tǒng)也十分簡單。其主要缺點(diǎn)是 :跟蹤精度不夠。太陽的高度角隨季節(jié)的變化不是均勻的，對(duì)這種屬于被動(dòng)式的跟蹤裝置，單軸跟蹤系統(tǒng)需要在每天開始工作時(shí)調(diào)整角度以對(duì)準(zhǔn)太陽，雙軸跟蹤系統(tǒng)累積誤差比較大，需要定期進(jìn)行校正。 （ 2）程序控制式太陽跟蹤裝置是與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的。首先利用一套公式通過計(jì)算機(jī)算出在給定時(shí)間的太陽的位置，再計(jì)算出跟蹤裝置被要求的位置 ，最后通過電機(jī)傳動(dòng)裝置達(dá)到要求的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽高度角和方位角的跟蹤。在美國加州建成的 10MW太陽 1號(hào)塔式電站，就是使用這種控制系統(tǒng)，在總計(jì) 28萬平方米的范圍內(nèi)分散著 1818塊反射鏡。首先計(jì)算出太陽的位置，然后求出每個(gè)反太陽能電池板照射角自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 射鏡要求的位置，再通過固定在兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸 (高度角和方位角跟蹤軸 )上的 13位增量式編碼器得到反射鏡的實(shí)際位置，最后把反射鏡要求所處的位置同實(shí)際上所處的位置進(jìn)行比較，偏差信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)，使反射裝置對(duì)太陽運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤 I38)。這種跟蹤裝置在多云天氣下仍可正常工作，但是存在累計(jì)誤差 ，并且自身不能消除。 （ 3）壓差式太陽跟蹤裝置 .武漢市電子產(chǎn)品研究所，參考國外單軸跟蹤太陽時(shí)角的熱水器，研制了一種壓差式單軸太陽跟蹤器，現(xiàn)己用在太陽能熱水器上。這種太陽能熱水器的吸熱板南北放置，其傾角可按不同季節(jié)通過手動(dòng)調(diào)節(jié)。為了取得太陽的偏移信號(hào)，在反射鏡周邊設(shè)有一組空氣管作為時(shí)角的跟蹤傳感器。當(dāng)太陽偏移時(shí)，兩根空氣管受太陽的照射不同，管內(nèi)產(chǎn)生壓差，當(dāng)壓力達(dá)到一定的數(shù)值時(shí)，壓差執(zhí)行器就發(fā)出跟蹤信號(hào)，用壓力為。 .IMPa的自來水作為跟蹤動(dòng)力 (若無自來水，可裝一只容積為 ZL的壓力水箱 )。帶動(dòng)鏡面跟蹤太陽 .當(dāng)鏡 面對(duì)準(zhǔn)太陽時(shí)，管內(nèi)壓力平衡，壓差