新型主动型自洁式家用太阳能光伏发电装置.docx
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新型主动型自洁式家用太阳能光伏发电装置
第二十五届“冯如杯”学生创意大赛
新型主动型自洁式家用
太阳能光伏发电装置
摘要
随着科技的进步和社会的发展,人类对能源的需求量不断增大,在上世纪40年代第一块硅晶太阳能电池被发明后,太阳能电池开始在航天领域使用,随着提炼高纯度硅的成本下降,太阳能电池开始逐渐进入国计民生的各行各业以至现在的“飞入寻常百姓家”。
笔者致力于描述一种家用的,能自给自足和采用并网逆变器设备连入国家电网实现短期赚回成本,还能通过运用自洁玻璃抵御沙尘雨水和向日葵般的自动跟踪技术实现高效率的太阳能光伏转换装置。
关键词:
自动跟踪,太阳能发电,高利用率,自洁玻璃
Abstract
Sunistherootofeverything,asthefirstlivethinggotborntotheearth,alllivesdependonthesunenergytosurvive.Withthedevelopmentofscienceandtechnologyandtheprogressofsociety,theneedsforenergyhasgrowingtoahighlevel.SincethefirstSiliconsolarcellsinventedinthefortiesof20thcentury,theSiliconsolarcellswasusedinthefieldofAerospace.whentheprimecostofSiliconPuresilicondecreased,theSiliconsolarcellswasthenfirstlygettingintothepeople'slivelihoodindustries.
Theauthoristryingtodescribeahouseholddevicewhichcangetprofitsfromgeneratingelectricityandsellingittogovernmentandalsowhichresistthedamagefromsand,rainandsomeOrganiccompoundandfollowthesuntoimprovetheefficiencyofthewholemachine.
Keywords:
Automatictracking,solarpowergenerationdevice,highlightutilization,selfcleaningglass
目录
摘要i
Abstractii
目录ii
图表目录v
一、引言1
1.1创意来源1
1.2国内外研究现状1
1.2.1国外相关研究现状2
1.2.2国内相关研究现状3
二、核心创意3
2.1整体设计3
2.2自动跟踪系统3
2.2.1自动跟踪系统系统运行流程3
2.2.2自动跟踪系统原理4
2.3外部设备及其功能5
2.3.1防雾功能6
2.3.2自洁除污功能6
2.4并网输电系统6
三、可行性分析7
3.1技术实现思路及相关技术分析7
3.1.1整体设计及运行7
3.1.2自动跟踪系统7
3.1.3外部设备7
3.1.4并网输电系统8
3.2预计技术难点8
3.2.1自动跟踪系统8
3.2.2外部设备8
3.2.3并网设备9
3.2.4稳定问题9
四、创意应用前景9
4.1应用场景9
4.2产品价格预计9
4.3市场需求10
4.4推广模式10
结语10
参考文献10
图表目录
图1跟踪光强曲线与固定光强曲线2
图2自动跟踪系统3D图3
图3自动跟踪系统运行流程图4
图4自动跟踪系统5
图5并网输电系统6
表1TiO2薄膜的生产方法及特点总结7
图6逆变器性能对比表8
表2逆变器性能参数表8
一、引言
随着科技和社会的发展,能源需求量的日趋扩大,太阳能作为纯净绿色能源在能源中的地位蒸蒸日上。
太阳能作为一种优质能源,早在发达国家中广泛应用。
美国早在1980年将光伏发电列入公共电力计划,1997年推出百万屋顶计划,2013年光伏累计装机量超过11.23GW;德国从1999年启动“屋顶光伏”计划,至2010年光伏累计装机量达到9.8GW[6]。
而我国,在政府的大力支持下,2013年12月底,我国累计光伏装机量已达17.16GW,位居世界前列。
我国陆地面积接收的太阳辐射总量在3.3×103kJ/(m2·年)~8.4×10kJ/(m2·年)之间,相当于2.4×10亿t标准煤,属太阳能资源丰富的国家之一,太阳能利用前景十分广阔[5]。
要想最大限度地利用太阳能,就必须考虑光伏转化效率。
光伏转化效率一方面受到制作工艺等技术的限制,短期难以取得较大突破,另一方面受到应用中的限制,如一般的光伏发电装置均为被动式,即不能主动追索太阳的方位,与主动式光伏发电装置相比光伏转化效率大大降低。
受技术和成本限制,一般光伏电池设计光伏转化效率约为15%,而实际生产生活中,考虑到光照并不一定始终处于垂直电池表面的理想状态以及其他原因,实际的光能转化效率甚至更低,故本文采用自动追踪技术,使得发电装置追踪太阳方位,尽量保持合适角度使得从而提高光能转化率。
此外,空气中的灰尘、污渍、水雾等常常附在太阳能电池表面降低电池的光能转化效率甚至破坏电池结构导致危险。
经过多方查阅资料及个人设想初步实现这些功能。
1.1创意来源
在家中听到长辈们拉家常时谈到电费,我就想能不能设计一种家用的发电装置。
查阅文献后发现以目前的技术,太阳能电池板光伏转化效率太低,于是考虑提高转化效率。
联想到向日葵,于是设计出自动追踪太阳方位,使得光线与电池呈最佳角度范围的太阳能发电装置,后经查阅文献,得知具备追踪性能(主动型)的太阳能发电装置比不具备追踪性能(被动型)的接受效率提高37.7个百分点。
由于我的故乡风沙较大,偶有下雨下雪,考虑到装置放在房顶可能遭受风雨沙尘的摧残,怎么办呢?
加一层钢化玻璃吧,那脏了怎么办呢?
要是玻璃能自洁就好了。
于是查阅文献,可行性较高,就着手设计。
设计之余,我开始考虑成本问题,以及回收成本的速度,因为毕竟产品定位是普通家庭。
由于回收成本较慢,于是考虑将多余电量卖给国家电网,赚取利润,经检验,确实可行,于是加入并网输电设备,同时虽然成本一定程度提高,但是收回成本的时间大大缩短。
总之,本装置的亮点在于1.自动追踪装置2.自洁玻璃3.并网输电系统4.家用型(不仅适用于普通地区普通家庭,更可适用于西部、北部地区居住地过于分散,不便于建造大型输电工程的现状)。
1.2国内外研究现状
根据国内外相关研究数据如图1。
图1跟踪光强曲线与固定光强曲线[4]
说明太阳能发电装置实现跟踪性的必要性,由图可知,跟踪性太阳能发电装置比非跟踪性发电装置接收的光照强度普遍更强。
1.2.1国外相关研究现状
美国在1997年研发出太阳能发电单轴控制系统,使得接收器的接受效率提高15个百分点,但缺陷在于太阳高度需要手动调整。
此后美国加州成功开发双周跟踪控制系统,并增加透镜装置进一步提高接收效率。
日本在2007年底成立太阳能发电研究项目,其中包含大范围的太阳跟踪技术项目。
德国南部巴伐利亚建立世界最大的太阳能发电厂,由于采用太阳跟踪控制装置,该厂发电能力比其他普通太阳能发电厂高出35%。
以上方案可以归结为三种,第一种为被动钟表式,即通过计算太阳每分钟大约移动(相对发电设备)多少度,来使得发电设备定时转动一定角度。
这种被动式发电机需要每天在启动时进行调整,而且误差较大。
第二种与本文略有不同,但均采用光敏传感器,通过反馈调节机制实现误差的微小化,控制精确,电路也容易实现。
第三种,通过CCD成像系统,判断太阳光是否与电池板相垂直,实现追踪功能,可行性也较强[4]。
1.2.2国内相关研究现状
目前,国内普遍采用光敏传感器式太阳能发电机,与1.2.1中第二种发电机只是在其他方面有微小差别。
二、核心创意
2.1整体设计
如图2所示,本装置主要由自动跟踪系统,光伏发电系统,并网输电设备组成。
以液压系统和控制系统组成的基于反馈调节模式的自动跟踪系统、光伏发电系统中所用到的自洁玻璃以及并网输电功能为本装置的三个亮点。
2.2自动跟踪系统
自动跟踪系统如图2所示,由四个液压杆和多个光敏传感器组成。
图2自动跟踪系统3D图
2.2.1自动跟踪系统系统运行流程
本装置运行的整个流程如图3所示。
当传感器受到刺激,计算机对多组数据进行分析,根据事先编定程序,通过调整四个液压装置的高度,调整太阳能电池表面与光线的夹角,直到此夹角满足某个合适范围后,停止调节液压柱。
通过不
断调节,从而使太阳能发电装置始终处于最佳吸收转化光能的位置,产生最大效益。
图3自动跟踪系统运行流程图
2.2.2自动跟踪系统原理
自动跟踪系统由传感器和液压杆组成。
如图4.
图4自动跟踪系统
如图4,本装置共有九个光传感器,均可向中心计算机传输光照强度数值。
(其中,传感器3,4,5,6位于承重部件四周,用于粗调,粗调即,使传感器3,4,5,6示数差距满足某较大范围;传感器1,2,7,8位于太阳能电池板四周,用于微调,微调即,使得传感器1,2,7,8示数差距满足极小范围的同时,传感器9与传感器1,2,7,8平均值示数差距也处于极小的范围)若太阳在装置前侧,则传感器三的强度数值大于传感器四,则A,B两个液压杆降低,C,D两个液压杆升高;若太阳在传感器6一侧,则传感器5的数值远小于传感器6,则经中心计算机调整后,液压杆A和液压杆D上升,液压杆B和液压杆C下降。
以上为粗调,误差处于一定范围后,中心计算机进入微调模式。
开始对比传感器9,即太阳能电池板表面的光照强度,与传感器1,传感器2,传感器7,传感器8的关系,例如,不断调整液压杆,使得传感器9的示数微弱波动在传感器1,2,7,8的平均数周围。
由此,实现精准度追踪太阳方位的功能。
2.3外部设备及其功能
外部设备主要是覆盖在太阳能电池板外侧的钢化玻璃以及钢化玻璃上的TiO2薄膜组成。
其中钢化玻璃用于抵抗冰雹雨水砂石的物理打击;TiO2薄膜则有如下功能:
2.3.1防雾功能
查阅资料时,有实验可以很好地理解TiO2薄膜的防雾功能。
试验中,在无光条件下,将水滴滴在TiO2薄膜上,则玻璃表面与水有较大的接触角;而在紫外线照射下,水滴与玻璃的接触角几乎为0度,即几乎为一层水膜,且在失去紫外线照射后,水膜还能维持较长时间,待水膜几乎消失后,重新用紫外线照射,则玻璃再次表现出超强的亲水性,即可以重复使用。
因此,当雨后初晴,太阳露头,玻璃表面的水滴便“乖乖地”铺成一层,太阳能电池板便重新进入正常工作。
2.3.2自洁除污功能
查阅文献得知,TiO2薄膜在紫外线照射下表现出强氧化性可以在玻璃表面形成强氧化层,能够有效分解因长期使用而“滞留”在玻璃表面的有机物,起到自洁除污的功效。
2.4并网输电系统
如图5,并网输电系统由光伏阵列、并网逆变器、最大功率点跟踪装置、储能系统、双向控制器组成。
主要是通过逆变器实现对光伏阵列输出的电流进行规范化调整以达到进入电网的要求。
通过储能装置,当光伏阵列输出电能不足时,用户使用电网中的电,当光伏阵列输出充足时,则将多余电量储存在储能装置中,或者将剩余电力输送至电网,具体选择可以由用户根据价格决定。
图5并网输电系统
三、可行性分析
3.1技术实现思路及相关技术分析
3.1.1整体设计及运行
本文所适用的机械结构和控制装置所用的电路结构均为工艺成熟,稳定性很好,经过实战检验的,误差率极小的结构。
因此,整体看来可行性较强。
3.1.2自动跟踪系统
自动跟踪系统由传感器、液压杆以及中心计算机组成,主要问题在需要编写合适的程序对整个装置工作中的各种复杂情形进行分析处理,以及适宜的客户端应用的开发。
如通过Wi-Fi控制整个装置的开关,以及客户端显示蓄电池电量,装置工作状态,发电功率等参数。
3.1.3外部设备
此处可行性问题在于TiO2薄膜的生产制造,经查阅文献,总结TiO2薄膜生产方法及特点表格一所示。
表1TiO2薄膜的生产方法及特点总结
TiO2薄膜的生产方法及特点总结
方法序号
方法名称
方法优点
方法缺点
1
溶胶凝胶制备法
操作简单,产品化学成分均匀
原料成本高,工艺时间长
2
液相沉积法
不经过热处理,操作简单,应用广泛
所用化学成分毒性高
3
射频溅射法
薄膜均匀致密。
光学性能优良
有一定设备要求
4
电沉积法制备
工艺简单,价格低廉,膜层易控制,应用广泛
5
阳极氧化法
产品性能优异
只能在纯钛或钛合金表面制作
由表中得知,采用电沉积法制备TiO2薄膜具有成本低廉,产品性能好的特点,采用这个方法实现降低成本的要求[3]。
3.1.4并网输电系统
目前,并网逆变器主要有高频变压,低频变压,无变压三大类,具体性能差异如下图6[7]。
图6逆变器性能对比表
在选择逆变器时,应遵循以下原则,容量匹配,即并网逆变器容量稍大于储能系统中电池的容量,过大会增加不必要的投资成本。
电压匹配,即电池组输出电压处于逆变器电压范围之内。
电流匹配,即电池组输出电流小于逆变器最大输入电流。
此外,逆变器的转换效率对整个装置的效率影响很大,应采取效率高的逆变器[7]。
遵循以上原则,本产品选取ZLSD-HD1550W型号,具体性能参数如表2。
表2逆变器性能参数表
型号
最大功率
/W
效率/%
自动保护
工作温度/℃
ZLSD-HD
1550W
>87%
过载、短路、过温、反接,(欠)过压
-10℃ ~50℃
3.2预计技术难点
3.2.1自动跟踪系统
本系统采用技术成熟的液压部件,唯一要求较高的在于传感器,需要灵敏度好且正常工作时间长的产品。
3.2.2外部设备
通过电沉积法取得的TiO2薄膜物美价廉,不存在技术难点。
3.2.3并网设备
逆变器的安装和维修比较复杂,故障率一般,但故障后容易影响整个装置的寿命。
同时,逆变器的效率极大限制整个系统的效率。
因此,需要优化逆变器以提高稳定性和效率。
3.2.4稳定问题
由于实际功率与光照强度有很大关系,而光照不稳定,造成功率浮动甚至是较大波动会影响产生电能的品质。
四、创意应用前景
在太阳能利用日益广泛的今天,提高光电转换效率的重要性更加彰显,然而,在制硅技术的限制下,当材料的理论转化值暂时无法突破时,自动追踪的太阳方位来提高转换效率是一种比较切实可行的方案。
尤其是在我国西北部地区,对电力能源具有极大的需求量,因此较高效率的太阳能发电装置具有很大的市场潜力。
4.1应用场景
本产品定位于家庭使用的环保型并网式发电装置。
4.2产品价格预计
目前常采用的太阳能电池材料分为单晶硅,多晶硅和非晶硅三种。
单晶硅虽然转换效率高,普通单晶硅太阳能电池效率约为15%,但是成本却很高,普通多晶硅光伏转换效率约为12%,但成本却低很多,非晶硅太阳能电池效率不足10%,不予采用。
本文采用通过实践检验的新疆若羌产业园区案例中的电池作为模版,采用多晶硅太阳能电池,工作电压为30V,开路电压为37V,其峰值功率约240W,工作温度区间为-40℃~85℃(正常温度为25℃)[7]。
根据国家居民阶梯式递增电价中第一梯度为每月用电150kW·h,考虑到我国大部分地区太阳年总辐射量大于5500兆焦每平方米,采用峰值功率,装置每天工作5h(10:
00--15:
00),每块太每个装置采用6块该太阳能板,每月产生216kW·h电量,理论上基本可以满足家庭需要同时可以向电网出售多余的66kW·h电量,每kW·h价格为0.4463元,则总收益为96.4008元每月(约96.5元每月),净收益29.4558元每月(约29.5元每月)。
电池板成本约960*6=5760元,并网设备约1500元,其他成本约1000元(价格取自合格网店),经计算,大约7年可以收回成本,而电池板等关键部件保修5年,额定工作年限为10~25年,故虽然收益缓慢,但终究会取得一定利润。
4.3市场需求
我国大部分地区太阳能资源丰富,适合使用本装置。
而在西北地区,如西藏、新、内蒙古等,居住地分散,不值得建造长途输电系统,故采取本装置,利用其微型化的特点,在利用清洁能源太阳能的同时,巧妙地解决了这些地区人民的用电问题,同时,由于本装置的引用,一定程度上抵制了火电的发展,保护了生态环境,符合社会上可持续发展的要求。
因此,本产品具有很大的市场需求量。
4.4推广模式
本产品是一款物美价廉的产品,且不出意外最终一定是获利的。
在推广过程中,应着力介绍、利用本产品高效,节能,适用范围广的特点。
首先应合理加强宣传力度,应以政府限电,或地区供电长期不足的地区为重点宣传地区;其次,应利用本产品使得家庭免除用电受限问题干扰,同时还能盈利作为本产品的优点大加宣扬,以本产品的环保节能物美价廉来吸引买家;第三,注重完善售后服务以提高居民的好评,以便进一步发展;最后,还应注意品牌效应,通过过硬的产品质量以及良好的售后服务打造民族知名品牌,利用品牌效应加以销售。
结语
太阳能的利用在人类历史上具有重要的战略意义,是全人类共同的话题,虽然本文所述装置可以一定程度提高光伏转化效率,但是用来提高光伏转化效率的精力还是应该更多地投入到新材料和新工艺、新技术的开发中去,这需要我辈更加地辛勤付出,正如孙中山先生所说“革命尚未成功,同志仍需努力”。
参考文献
[1]赫明亮.太阳能光伏发电并网技术的应用分析[D].PowerElectronics.2011
[2]李丽.太阳能电池及关键材料的研究进展[D].化工新型材料.2008.(11)
[3]周圆.TiO2自洁玻璃制备及其应用[D].电镀与精饰.2007.
(2)
[4]丁伟.太阳能发电自动跟踪控制系统研究与实现[D].南京航空航天大学.2010
[5]李柯.中国陆地太阳能开发潜力区域分析[D].Progressingeography.2010.(9)
[6]罗成先.太阳能发电的普及与前景[D].SINO-GLOBALENERGY.2010.(11)
[7]马春兰.大型并网光伏发电系统方案设计探讨[D].水电与新能源.2015.
(1)
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