新型太阳能发电装置设计研究

新型太阳能发电装置设计研究

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、