追光式太阳能聚光器的设计及实验研究

1. 追光式太阳能聚光器的设计及实验研究 燕山大学 2011.11

2. 主要内容 1.立项背景 2.项目研究内容 3.项目的特色与创新之处 4.计划进度安排 5.项目预期成果

3. 引 言 • 随着大型空间活动及空间技术的发展，空间高压高功率电源系统的需求将变得迫切。除不断增加太阳翼的面积外，提高太阳能利用率是提高空间功率系统容量的途径之一。 所以，采用太阳聚光其技术是一条大幅度提高太阳能利用效率的有效途径。虽然太阳聚光器的原理和概念非常简单，但是应用在空间功率系统中却具有很大的技术挑战性。空间聚光式太阳电功率系统仅进行了有限规模的飞行实验验证。大部分研究还处于概念研究和地面样机研究阶段。 • 基于以上原因，本项目采用反射和折射原理，提出了一套成型的，理想的，全方位高效率的太阳能聚光器，并且通过选用先进的传感器和检测、控制算法，设计出相应配套的机械传动装置，驱动整个太阳能跟踪系统装置的运行，从而设计了完整的追光式太阳能聚光器。

4. 1 立项背景 追光式太阳能聚光器可以应用在大型空间活动及空间动能武器、定向能武器技术及其他领域。基于目前技术，利用传统的普通硅电池片，三结砷化镓电池片，短时间内光电转换效率很难再有大幅度提高。而本项目基于反射和折射的原理，利用太阳能跟踪技术，最大功率跟踪(MPPT)技术，设计了完整的追光控制器/处理器系统和太阳能聚光系统，可多方位，多角度，大幅度吸收太阳能，从而提高太阳能供电系统的效率。由于此项目在众多领域的发展当中起到重要作用，受到世界上很多国家的高度重视。综上所述，追光式太阳能聚光器具有广泛的应用前景。 4 /15

5. 2 项目研究内容 • 太阳能受季节、地点、气候等各种因素的影响，因此不能维持常量，限制了太阳能的有效利用。目前世界上正在使用和进一步研发的采用的太阳能聚光技术包括反射式和折射式两种。聚光方式又包括点聚焦和线聚焦两种。点聚焦聚焦倍率高，可以达到数千倍，但是聚焦面积比较小，适合于太阳高温热电系统。线聚焦聚焦倍率比较低，一般为数倍到十几倍，但聚焦面积比较大，对太阳指向跟踪精度要求比较低，适合于光伏太阳电池阵系统。针对光热利用，主要的技术难点在于如何高效率的集热。如何更好收集太阳辐射能，设计更好的集热设备变成了焦点话题，因此这一项研究有大地价值和应用前景。 5 /15

6. 本项目结合近地空间、地球自转，地理位置的特点，以及太阳能发电系统的相关标准，提出并设计一套可行的追光式太阳能聚光器——利用高效摆动活齿减速器作为追光控制器/处理器，利用相应的各种传感器获取聚光器的数据参数，在追光系统中利用不同的处理程序进行处理并对相应的电路进行控制，转向至合适的角度吸收太阳光。本项目结合近地空间、地球自转，地理位置的特点，以及太阳能发电系统的相关标准，提出并设计一套可行的追光式太阳能聚光器——利用高效摆动活齿减速器作为追光控制器/处理器，利用相应的各种传感器获取聚光器的数据参数，在追光系统中利用不同的处理程序进行处理并对相应的电路进行控制，转向至合适的角度吸收太阳光。 • 本项目研究的核心是聚光器的设计，目前国际上正在使用和进一步研发的采用的太阳能聚光技术包括反射式和折射式两种。聚光方式又包括点聚焦和线聚焦两种。通过研究设计聚光罩，聚光技术，聚光方式，寻找一种较为理想的聚光器以适合可持续发展的需要。

7. 2.1太阳能聚光器的追光系统 • 关键技术：太阳能跟踪技术，最大功率跟踪(MPPT)技术 • 技术难点和主要技术指标： • 太阳能跟踪技术的难点在于检测精度和执行部件执行精度。通过选用先进的传感器和检测、控制算法，并设计出相应配套的机械传动装置，使得执行部件可以利用小功率电机，驱动整个太阳能跟踪系统装置的运行。 • 最大功率跟踪技术的硬件电路现已比较完善、成熟，评价MPPT方法的主要指标有：①稳态特性，即达到稳定工作状态时的功率与实际可利用功率之差；②动态特性，即寻找并达到MPP点的跟踪速度；③实现成本，主要指传感器和处理器的成本。而其技术难点就是在于满足上述指标的控制算法的选用，现有的算法需要额外的光照、温度传感器，或者计算量太大，需要高性能的处理器。

8. 2.2聚光罩设计的关键技术 关键技术：聚光技术包括反射式和折射式两种 聚光方式又包括点聚焦和线聚焦两种。 • 技术难点和主要技术指标： • 点聚焦聚焦倍率高，可以达到数千倍，但是聚焦面积比较小，适合于太阳高温热电系统。线聚焦聚焦倍率比较低，一般为数倍到十几倍，但聚焦面积比较大，对太阳指向跟踪精度要求比较低，适合于光伏太阳电池阵系统。针对光热利用，主要的技术难点在于如何高效率的集热。

9. 3 项目的特色与创新之处 • 目前，太阳能聚光技术主要有反射式和折射式两种。聚光方式又包括点聚焦和线聚焦两种。点聚焦聚焦倍率高，可以达到数千倍，但是聚焦面积比较小，适合于太阳高温热电系统。线聚焦聚焦倍率比较低，一般为数倍到十几倍，但聚焦面积比较大，对太阳指向跟踪精度要求比较低，适合于光伏太阳电池阵系统。 • 本项目旨在研究点聚光与线聚光对功率的具体影响程度，寻找适合于点聚光与线聚光的聚光器。 • 本项目结合近地空间、地球自转，地理位置的特点，以及太阳能发电系统的相关标准，提出并设计一套可行的追光式太阳能聚光器——利用高效摆动活齿减速器作为追光控制器/处理器，利用相应的各种传感器获取聚光器的数据参数，在追光系统中利用不同的处理程序进行处理并对相应的电路进行控制，转向至合适的角度吸收太阳光。 • 本项目研究的核心是聚光器的设计，目前国际上正在使用和进一步研发的采用的太阳能聚光技术包括反射式和折射式两种。聚光方式又包括点聚焦和线聚焦两种。通过研究设计聚光罩，聚光技术，聚光方式，寻找一种较为理想的聚光器以适合可持续发展的需要。 9 /15

10. 本项目的创新点如下： •  对于近地空间、受地球自转和地理位置影响的太阳能发电装置建模、仿真和设计； •  对于太阳能供电系统的效率提高，对于聚光罩的太阳能接收效率的设计。 •  建立在聚光罩设计基础上的追光系统的设计，意图支撑聚光罩光能吸收最大化。 •  一套集追光装置，接收装置为一体的光能接收装置。

11. 4 计划进度安排 • 规划准备阶段 • 2011年11月 • 查阅资料，咨询老师，探讨追光系统，聚光系统设计的可行性分析 • 听取指导老师意见，对调研方向进行调整和修改。规划调研具体实施方案，确定软件仿真的整体框架。 • 2011年12月—2012年3月 • 根据整体系统的设计，选购太阳能电池板，定做聚光罩，搭建一个基本的实验平台，以备后期实验调试。并对项目进行细化，对人员进行更为详细的分工，取其所长，各尽其才。将子系统，子单元的设计分派到人，充分调动成员的积极性。

12. 太阳能吸收研发阶段2011年4月—2011年5月购买相应设备，搭建追光式太阳能聚光系统模拟平台。2011年6月—2012年8月进行太阳能最大功率追踪(MPPT)的理论分析与研究；进行追光用转轴减速器的调整。模型建立与规划研究。建立聚光系统模型，规划最优方案，并检测方案准确性。太阳能吸收研发阶段2011年4月—2011年5月购买相应设备，搭建追光式太阳能聚光系统模拟平台。2011年6月—2012年8月进行太阳能最大功率追踪(MPPT)的理论分析与研究；进行追光用转轴减速器的调整。模型建立与规划研究。建立聚光系统模型，规划最优方案，并检测方案准确性。

13. 实验分析阶段2012年9月—2012年10月进行太阳能最大功率追踪(MPPT)的理论分析与研究；根据实验记录，评估聚光罩在实际应用中的可行性。实验分析阶段2012年9月—2012年10月进行太阳能最大功率追踪(MPPT)的理论分析与研究；根据实验记录，评估聚光罩在实际应用中的可行性。 • 结题阶段2012年11月总结实验过程，分析实验数据，填写结题表，撰写论文和报告，参加结题答辩。

14. 5 项目预期成果 • 追光式太阳能聚光系统有助于我国发展太阳能聚光技术，利用太阳能资源，尤其是在提高系统的整体效率上。项目研究预期成果有以下几点： • 相关论文一篇以上（EI收录)； • 完成地面比对试验； • 专利1~2项；

15. 感谢各位专家的评审！