【導(dǎo)讀】Keywords—RenewableEnergy,PowerOptimization.havebeenused,suchascoal,petroleum,naturalgas,geothermalenergy,nuclearfission. withinafewyears.

　　

【正文】 土地上太 陽能的收集也只能達(dá)到一小部分 。 當(dāng)然 ， 亞 利 桑那州的許多居民渴不喜歡國家大力發(fā) 展太陽能的收集 ， 而且一些環(huán)保組織也因?yàn)樘柲艿氖占瘜懳采叩纳盍?xí)性等產(chǎn)生 的影響而抗議太陽能收集裝置的實(shí)行。 太陽能電池能夠?qū)⑻柲苤苯愚D(zhuǎn)化為電能 ， 而且已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空間飛行器能源 的提供 。 然而 ， 以目 前 的技術(shù)水平如果應(yīng)用于大規(guī)模發(fā)電其代價(jià)于昂貴 。 因此 ， 目前 大多數(shù)太陽能發(fā)電方式仍舊是首先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再將熱能轉(zhuǎn)化為電能。 這種方式目前最簡單的設(shè)計(jì)是蒸汽發(fā)電裝置 ， 收集到的太陽能通過管道中的載熱氣體 進(jìn)行輸送。這種管道使用涂層能夠使運(yùn)輸過程中的入射能量只有很少部分的流失。 光電機(jī)制的發(fā)現(xiàn)和之后太陽能電池材料 —— 一種把光轉(zhuǎn)換成直流電的半導(dǎo)體的 發(fā)現(xiàn)使得從太陽中提取可用的電力成為可能 。 利用太陽能電池板獲得的直流電壓完全 可以用來驅(qū)動(dòng)太陽能電池板本身的運(yùn)動(dòng)。太陽能電池板或者面板的使用越來越普遍， 特別是在那些電線不是怎么經(jīng)濟(jì)可行的偏遠(yuǎn)地區(qū) 。 可再生能源正在不斷的發(fā)展 ， 特別 是隨著化石燃料的日益減少?？稍偕茉丛谝欢ǔ潭壬现皇褂昧?75 到 100 年。例如太 陽能 、 風(fēng)能 、 水能和地?zé)崮芏荚诒焕貌⑶胰〉昧瞬煌潭鹊某晒?。 在太陽能能在全 球范圍內(nèi)使 用 的前提下 ， 最廣泛使用的卻是水能和風(fēng)能 。 這可能是由于太陽能電池較 高的成本和較 低 的轉(zhuǎn)換效率 。 通過對太陽能發(fā)電不斷的研究 ， 如今太陽能發(fā)電的成本 可以降低到每千瓦 /小時(shí)幾美分的成本，并且隨著新技術(shù)如 titaniumoxide 細(xì)胞的發(fā)現(xiàn) 將進(jìn)一步下跌。實(shí)驗(yàn)室最高效率 32%，平均效率在 15%~20%,因此有必要從太陽能系 射 角 (即太陽 )與太陽 能 電池板的角度 ,角度越接近垂直 、 獲得的太 陽 能越大 。 如果一個(gè) 平坦的太陽能板被安裝在水平地面 ,很明顯 ,在漫長的一天中陽光會(huì)有一個(gè)入射角接近 90176。 在這樣的一個(gè)角度下 ,電池聚集光線的能力實(shí)質(zhì)上是零 ,從而沒有輸出 。 到正午的 過程中 ， 入射角越來越接近 0176。， 從而電能收集穩(wěn)定增強(qiáng) ， 直到太陽與電池板完全垂直， 轉(zhuǎn)化率才達(dá)到最大。 就在這一天繼 續(xù) 向黃昏走去時(shí) ,相反的事情發(fā)生了 ,隨著角度的增大 ， 轉(zhuǎn)化效率向 最小值邁進(jìn)。 從這一背景下 ,我們看到需要面板維持最大功率輸出，必須使入射角盡可能的接 近 0176。 通過傾斜太陽能板不斷面對太陽 ， 這樣就可以實(shí)現(xiàn)上面那個(gè)要求 。 感覺和跟蹤 太陽位置的過程被稱為太陽能跟蹤。為了更有效地跟隨太陽 ,實(shí)時(shí)跟蹤記錄是必要的 , 因此操作中不需要額外的數(shù)據(jù) 。 許多不同的方法已經(jīng)被提出并且用來跟蹤太陽的位置。最簡單的是使用一個(gè) LDR—— 用來檢測在電阻表面的光強(qiáng)度變化的感光電阻。其他的方法 ,如 Jeff Damm 公布在 “ Home Power” 的論文所說 ,把覆蓋有一個(gè)小盤子的倆片光敏傳感器用來遮擋 太陽光 ,如圖 1 所示 : 當(dāng)早晨來臨時(shí) ， 該設(shè)備在昨天結(jié)束運(yùn)動(dòng)的位子如圖一狀態(tài) A 所示 ； 左光敏晶體管 是打開的，產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)使得電機(jī)連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到板上的陰影返回到狀態(tài) B；隨著時(shí) 間的慢慢變化 ， 不久之后達(dá)到狀態(tài) C， 這樣就打開了右邊的光敏晶體管 。 接著電機(jī)轉(zhuǎn) 動(dòng)，直到再次達(dá)到 B 狀態(tài)，并循環(huán)下去，直到一天結(jié)束，或直至達(dá)到最小可探測光 水平 。 像這樣的設(shè)計(jì)存在一個(gè)問題 ， 一旦光電晶體管被設(shè)置在偏置條件下 ，會(huì)降低它 的敏感性 。 這實(shí)際上是因?yàn)樘柲茈姵乇旧肀贿x為傳感裝置 。 他們提供了一個(gè)優(yōu)良的 光強(qiáng)度檢測機(jī)制 因?yàn)樗鼈儗Σ煌墓饩€有不同的敏感度和能夠提供接近線性的電 壓狀況 ， 可以用來確定目前的太陽偏角或角度 。 因此一個(gè)簡單的帶有兩個(gè)方向相反的 太陽能電池板的三角形模型被制造出來，如圖所示 : 就如在圖 3 中所看到的情況一樣，太陽能電池板在其靜止位置時(shí)，雖然入射角并 不是 90176。，但是也同時(shí)接收等量太陽光。 圖 4 中可以看出，當(dāng)太陽在天空移動(dòng)時(shí)，假設(shè)該太陽能電池板沒有還沒有移動(dòng)， 由于光的入射角得變化 ， 電池板的一邊會(huì)比另一邊獲得更多的太陽光 。 所以這一邊所 獲得能量會(huì)高于另一邊 ， 因此電池板之間將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓差 。 這種現(xiàn)象會(huì)使得在每 一個(gè)單元中產(chǎn)生可檢測的信號(hào)，他可以通過合適的電路進(jìn)行處理。 該裝置的最新樣品由涉及耦合電路的電機(jī)和安裝支架組成整 機(jī) 。 它有一個(gè)安裝在 法蘭上的多晶硅組成的 Sola rex 9W 太陽能電池板。 對該樣品進(jìn)行了兩個(gè)簡單的測試 。 第一個(gè)測試將面板從設(shè)備上拿下來 ， 并且放置 在一個(gè)平面上 ， 連接上一個(gè)匹配面板評級的輸出為 9W 的負(fù)載 。 12V9W 對應(yīng) 的 電流，所以由歐姆定律計(jì)算負(fù)載電阻為 16Ω。 15Ω50W 被發(fā)現(xiàn)最接近該數(shù) 值，所以連 接到面板上 。 跟蹤設(shè)備仍然需要?jiǎng)恿?， 因此有一個(gè)與太陽能電池板相連接 ， 并且通過 充電器供給 12V 電壓的電池。通過兩個(gè)單獨(dú)的電表分別檢測電路兩端的電壓和電流， 由此在每一個(gè)晴朗的日子里記錄下數(shù)據(jù)，并且制作成一個(gè) Excel 表格。在一個(gè)萬里無 云的天氣中，每隔一段時(shí)間采集一組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)所生成的 Excel 表格如圖 6 所示。 通過在 Excel 中進(jìn)行相應(yīng)的計(jì)算 ， 計(jì)算一個(gè)百分比的增加和平均增幅是完全可能 的?？梢园l(fā)現(xiàn)，在這樣的天氣條件下， 12 個(gè)小時(shí)時(shí)間里，面板平均提供了整體的39% 的輸出 ， 即 。 相 比 之下 ， 能夠跟蹤的太陽能電池板同一時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了整體的 71％ 的輸出，即 。特別是在早上和旁晚，能夠跟蹤的太陽能電池板的功率與面板相 比增加了 400%。簡單的使太陽能電池板與太陽光盡可能的保持垂直，就能使功率平 均增加 30%。 為了確保能量不被浪費(fèi) ， 設(shè)備本身也監(jiān)測了電源本身的電流 。 設(shè)備在停止運(yùn)動(dòng)時(shí)， 一個(gè)電流表與電池一起串聯(lián)在電路中。在 12V 的總電壓下，電流測量值僅僅 4mA，相 當(dāng)于在沒有負(fù)載時(shí)功耗 48MW。 太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用通過小型太陽能電池去自我調(diào)節(jié)的光傳感器的新方 法 ， 通過檢測輸出電壓 ， 改變太陽能電板與太陽之間的相對角度 。 通過使用這種方法， 太陽能跟蹤器能夠成功的使太陽光和太陽能電池板之間保持垂直 。 該設(shè)備與固定的太 陽能面板相比，多獲得超過 30%的太陽能。一個(gè)太陽能跟蹤器被提出，設(shè)計(jì)和制造。 它最終的設(shè)計(jì)是成功的，在同一面板條件下，固定面板只能收集 39%的總輸出相比， 而跟蹤裝置可以達(dá)到 70%的總輸出。而真正的價(jià)值是：這表明可以顯著降低系統(tǒng)的整 體成本 ， 并且可以通過耦合太陽能跟蹤裝置的太陽能電池板收集更多的能量 。 通過相 同的太陽能電池板 ， 提取更多的能量 ， 收集一瓦能量的成本也大大降低 。 與以前固定 的太陽能電池板相比，從而使得此類太陽能發(fā)電更具有成本效益。 太陽能跟蹤系統(tǒng)的高成本已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí) ， 使得整體提高太陽能電池的效率更加艱 難。許多商業(yè)單位制造一個(gè)跟蹤裝置并且?guī)в邢喈?dāng)質(zhì)量的面板需要花費(fèi) 2020 多美元。 在本論文中提出的設(shè)備由于其結(jié)構(gòu)簡單，電機(jī)的高扭矩能力，能夠支持一個(gè)至少 8千 克的負(fù) 載 —— 一個(gè) 75W 的太陽能電池板的平均重量 。 并且用于此設(shè)備的零件成本也非 常低 ， 包括所有的電子元件和太陽能電池板 ， 再加上一些廢舊材料的花費(fèi) ， 成本也只 花費(fèi) 30 美元。除了 9W 的太陽能電池板，其他的均來自于各種廢舊物品。驅(qū)動(dòng)裝置是 從舊的安全攝像頭上拆下來的 ， 步進(jìn)電機(jī)來自于舊的打印機(jī) 。 然而 ， 如果所有這些部 件都必須購買，成本將預(yù)計(jì)不超過 100 美元。一個(gè)單軸跟蹤系統(tǒng)，例如它提高了固定 太陽能電池板的動(dòng)力 ， 但是雙軸跟蹤系統(tǒng)將提供更多的能量 。 這可能是一個(gè)進(jìn)一步發(fā) 展的主題 。 太陽能跟蹤時(shí)迄今為止提高住宅和商業(yè)用戶使用太陽能發(fā)電系統(tǒng)的整體效 率的最簡單方法。通過本篇文中的簡單設(shè)計(jì)，個(gè)人也可以用來制 造簡單的跟蹤設(shè)備。 太陽能跟蹤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用通過小型太陽能電池去自我調(diào)節(jié)的光傳感器的新方 法 ， 通過檢測輸出電壓 ， 改變太陽能電板與太陽之間的相對角度 。 通過使用這種方法， 太陽能跟蹤器能夠成功的使太陽光和太陽能電池板之間保持垂直 。 該設(shè)備 與 固定的太 陽能面板相比，多獲得超過 30%的太陽能。 參 考 書 目 [1] Fahrenburch, A. and Bube, R. 1983, Fundamentals of solar cells, Academic Press, New York. 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