太陽能吸收裝置超調(diào)跟蹤系統(tǒng)效能分析

魏 博，羅智文， 馬小晶，賀小威，陳 濤，王 剛

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

太陽能吸收裝置超調(diào)跟蹤系統(tǒng)效能分析

魏 博，羅智文， 馬小晶，賀小威，陳 濤，王 剛

(新疆大學(xué)電氣工程學(xué)院，新疆烏魯木齊 830047)

太陽光線入射角是太陽能輻射效率的重要影響因素，以蘭貝特定律為基礎(chǔ)，借鑒太陽在地外斜面曝輻量的定義，引入了超調(diào)跟蹤的概念。在對(duì)超調(diào)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了效能分析后發(fā)現(xiàn)，實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)所能吸收的太陽能最多，但需要實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制，而固定式太陽能吸收裝置利用效率很低。使用超調(diào)跟蹤系統(tǒng)在1天中僅使接收裝置調(diào)整3次就可達(dá)到平均效率95%以上的效果。

超調(diào)跟蹤；效能分析；三點(diǎn)定位；太陽跟蹤系統(tǒng)

隨著煤炭、石油等化石能源逐漸枯竭，人們對(duì)清潔能源的利用越來越迫切。太陽能作為一種清潔無污染的綠色能源，已成為當(dāng)前最重要的研究方向。在中國，太陽能資源非常豐富，尤其是西部地區(qū)，太陽能年輻射總量均在5 400 MJ/(m2·a)[1]。雖然太陽能資源豐富，但利用也存在很多弊端。由于太陽的照射強(qiáng)度及角度等均受到所處地點(diǎn)的緯度、季節(jié)等條件的影響，存在密度不均以及間歇性、光照角度和強(qiáng)度隨時(shí)間不斷變化等問題[2]。伍春生等通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用跟蹤式太陽能接收器，可大幅提高太陽能轉(zhuǎn)化效率[3]。一般雙軸跟蹤系統(tǒng)可提高效率35%左右，而單軸系統(tǒng)也可提高20%左右。

近幾年，針對(duì)太陽能跟蹤系統(tǒng)的研究越來越多，包括太陽跟蹤方式、太陽方位檢測(cè)方法、太陽能接收器控制方法等。如張曉霞等和梁勇等在分析太陽運(yùn)行規(guī)律的基礎(chǔ)上，提出了一種在聚光條件下太陽跟蹤的方案[4-5]；許啟明等在總結(jié)了近年來國內(nèi)外太陽能跟蹤技術(shù)的發(fā)展情況，并明晰了太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的內(nèi)涵，給出了太陽能自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)的定義和分類，最后評(píng)述了跟蹤系統(tǒng)的工程應(yīng)用情況[6]。王春雷設(shè)計(jì)了五點(diǎn)法檢測(cè)太陽方位的方法[7]。朱方園等更是采用粗調(diào)與細(xì)調(diào)，精確地定位了太陽的方位[8]。

而蘭貝特定律指出，太陽入射角在90°時(shí)最大，但在60°～120°之間，其輻射強(qiáng)度變化并不大，而實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制必然耗費(fèi)相當(dāng)?shù)碾娔躘9]，因此，為提高太陽能接收裝置的轉(zhuǎn)化效率，定時(shí)檢測(cè)與控制可減少中間檢測(cè)控制消耗的電能。本文提出了一種新型的超調(diào)跟蹤策略，即在跟蹤過程中，將全天太陽時(shí)分為若干個(gè)區(qū)域，采用定時(shí)調(diào)整太陽能電池板的法線方向至下一區(qū)域中間。這種方法可在滿足較高效率的前提下，降低檢測(cè)、控制與機(jī)械傳動(dòng)頻繁導(dǎo)致的能源消耗，為提高太陽能跟蹤裝置效率提供理論參考依據(jù)。

1 超調(diào)跟蹤系統(tǒng)效能分析

王炳忠曾提到地球上某一點(diǎn)朝向赤道傾斜平面的地外小時(shí)曝輻量的計(jì)算公式[10-11]為

(1)

式中：Hop為曝輻量；Eac為太陽到達(dá)地球的不考慮大氣影響的能量強(qiáng)度；r0為日地間平均距離；r為地球在橢圓軌道中運(yùn)行時(shí)的實(shí)際日地間距離；δ為太陽入射光與赤道平面的夾角；φ為地球上某點(diǎn)的地理緯度；β為朝向赤道的平面與當(dāng)?shù)厮矫?切面)之間的夾角；τ為太陽時(shí)角，太陽入射光與當(dāng)?shù)氐牡厍驈较蚱矫娴膴A角。根據(jù)式(1)得到的結(jié)論，首先跟蹤太陽時(shí)角τ，使得cosτ=1，此時(shí)式(1)變?yōu)?/p>

此時(shí)如果能夠?qū)os(δ-φ+β)=1，只需δ-φ+β=0[12-13]，也就是在安置朝向赤道的太陽電池板平面與太陽光在地球經(jīng)面內(nèi)垂直，在時(shí)角完全跟蹤太陽，則cosτ=1，則式(2)可以簡(jiǎn)化為

(3)

如果固定方位安裝太陽能電池板，一般使得φ-β=0，一天內(nèi)太陽赤緯角值的變化可以忽略不計(jì)，并且使得cosδ=1，假設(shè)時(shí)間間隔(τ2-τ1)較小，可以認(rèn)為cosτ為[τ1,τ2]中間的值cosτ0[14-15]。這樣式(1)化為

(4)

而采用定時(shí)超調(diào)跟蹤系統(tǒng)，同時(shí)在安裝電池板時(shí)，同樣需要使φ-β=0，cosδ=1，但是使時(shí)間間隔(τ2-τ1)較大，在這時(shí)，并非是時(shí)時(shí)跟蹤太陽，而是太陽每過固定時(shí)角，超過電池板法線方向并達(dá)到對(duì)稱時(shí)，提前調(diào)整其法線方向至太陽轉(zhuǎn)動(dòng)到下一個(gè)時(shí)角范圍的中間，這時(shí)，就不可以認(rèn)為cosτ為[τ1,τ2]中間的值cosτ0，而需要對(duì)式(1)進(jìn)行積分求得該時(shí)間段內(nèi)的曝輻量：

(5)

2 計(jì)算結(jié)果

將實(shí)時(shí)跟蹤、固定不動(dòng)與定時(shí)超調(diào)跟蹤3種情況同時(shí)除以曝輻量最大值，也就是實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)的曝輻量，將其無量綱化，實(shí)時(shí)計(jì)算其吸轉(zhuǎn)化效率，并進(jìn)行對(duì)比。在定時(shí)跟蹤系統(tǒng)中，將全天[-90° 90°]分為多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域?yàn)?0°，20°，30°，40°，50°，60°，90°時(shí)實(shí)時(shí)效率與實(shí)時(shí)跟蹤和固定不動(dòng)情況進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

圖1 無量綱化曝輻量對(duì)比圖Fig.1 Comparison chart of dimensionless solar irradiance

從圖1可見，當(dāng)實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)，其無量綱化曝輻量恒為1；接收裝置固定不動(dòng)時(shí)，其無量綱化曝輻量成余弦函數(shù)曲線變化；而使用超調(diào)跟蹤系統(tǒng)，其劃分區(qū)域越小，無量綱化曝輻量越高。

將上述結(jié)果在全天時(shí)間范圍內(nèi)求平均值，可在不同旋轉(zhuǎn)角度下，對(duì)一天內(nèi)轉(zhuǎn)化總效率進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同間隔角度旋轉(zhuǎn)平均效率對(duì)比圖Fig.2 Comparison diagram of average efficiency under different interval angle rotating

從圖2可見，當(dāng)實(shí)時(shí)跟蹤時(shí)，其無量綱化曝輻量平均值為1；接收裝置固定不動(dòng)時(shí)，其無量綱化曝輻量平均值為0.64；而使用超調(diào)跟蹤系統(tǒng)，對(duì)于只調(diào)整一次，即間隔90°時(shí)旋轉(zhuǎn)一次平均效率可達(dá)90%以上；調(diào)整3次，即間隔60°旋轉(zhuǎn)1次，平均效率可達(dá)95%以上。

3 結(jié) 語

提出了一種新型的超調(diào)跟蹤系統(tǒng)，通過對(duì)太陽能接受裝置在實(shí)時(shí)跟蹤、固定不動(dòng)及劃分若干區(qū)域進(jìn)行超調(diào)跟蹤進(jìn)行了無量綱曝輻量對(duì)比，得出以下結(jié)論：

1)采用實(shí)時(shí)跟蹤太陽能接收裝置，其無量綱曝輻量恒為1，也就是系統(tǒng)可接受太陽能最多，但需要耗費(fèi)大量裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)、控制及機(jī)械傳動(dòng)的能量；

2)采用固定不動(dòng)式太陽能接收裝置，其無量綱曝輻量成余弦曲線，在太陽時(shí)角為0°附近時(shí)較大，在兩側(cè)區(qū)域較小，接受能量較少；

3)采用超調(diào)跟蹤系統(tǒng)，將全天太陽時(shí)角劃分為若干個(gè)區(qū)域，每天只用調(diào)整3次即可使全天平均轉(zhuǎn)化效率達(dá)到95%以上，同時(shí)耗費(fèi)控制、檢測(cè)能量較少。

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[1] 王炳忠,鄒懷松,殷志強(qiáng),等.我國太陽能輻射資源[J].太陽能,1998(4):19.

WANG Bingzhong, ZOU Huaisong, YIN Zhiqiang, et al.The solar radiation resources in China[J]. Solar Energy, 1998(4):19.

[2] 賈英新,張 雷,靳 曄,等.太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[J].河北工業(yè)科技,2012,29(6):509-511.

JIA Yingxin, ZHANG Lei, JIN Ye, et al. Design and reseach of solar energy heating system[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2012,29(6):509-511.

[3] 伍春生,劉四洋,彭燕昌,等.基于PIC16F877A自動(dòng)太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007,30(20):147-149.

WU Chunsheng, LIU Siyang, PENG Yanchang, et al. Design of automatic sun trackers based on PIC16F877A[J]. Modern Electronics Technique, 2007,30(20):147-149.

[4] 張曉霞,殷盼盼,張 國,等.蝶式聚光光伏發(fā)電自動(dòng)跟蹤太陽裝置的設(shè)計(jì)[J].太陽能,2008(9):32-34.

ZHANG Xiaoxia, YIN Panpan, ZHANG Guo, et al. The design of auto tracking solar device based on butterfly concentrator photovoltaic power generation[J].Solar Energy,2008(9):32-34.

[5] 梁 勇,梁維銘.太陽能任意方位跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電測(cè)與儀表,2008, 45(5): 65-68.

LIANG Yong, LIANG Weiming. Arbitrariness azimuth tracking of solar cell system design[J].Electrical Measurement & Instrumentation, 2008, 45(5): 65-68.

[6] 許啟明,馮俊偉,宮 明,等.太陽能利用跟蹤技術(shù)的研究進(jìn)展[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2011, 39(10): 6 294-6 297.

XU Qiming, FENG Junwei, GONG Ming,et al. Research advance of solar energy tracking technology[J].Journal of Anhui Agricultural Sciences,2011, 39(10): 6 294-6 297.

[7] 王春雷.五點(diǎn)法自動(dòng)跟蹤太陽裝置[J].太陽能,2005(5):30-31.

WANG Chunlei. Auto tracking solar device based on five-point method[J].Solar Energy,2005(5):30-31.

[8] 朱方園,韓滿林,豐濟(jì)濟(jì).太陽能發(fā)電用太陽跟蹤器的設(shè)計(jì)[J].控制工程,2009,16(11):109-111.

ZHU Fangyuan, HAN Manlin, FENG Jiji.Design of sun tracker used on solar battery[J].Engineering of China,2009,16(11):109-111.

[9] 崔明輝,王 剛.熱計(jì)量供暖系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)問題探討[J].河北工業(yè)科技,2010,27(5):317-320.

CUI Minghui, WANG Gang. Discussion on heat metering heating system and relative technologic problems[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology, 2010,27(5):317-320.

[10] 王炳忠.太陽輻射計(jì)算講座(第四講):地外斜面輻射量的計(jì)算[J].太陽能,2000(2):16-17.

WANG Bingzhong. The lecture of solar radiation calculation(Part Ⅳ): The calculation of radiation quantity on inclined plane outside the earth surface[J]. Solar Energy, 2000(2):16-17.

[11] 王炳忠.太陽輻射計(jì)算講座(第五講):地表斜面上輻射量的計(jì)算[J].太陽能,2000(3):20-21.

WANG Bingzhong. The lecture of solar radiation calculation(Part Ⅴ): The calculation of radiation quantity on inclined planeinside the earth surface[J]. Solar Energy, 2000(3):20-21.

[12] 樊國梁,張曉燕.定時(shí)跟蹤太陽時(shí)角提高光伏發(fā)電效率[J].內(nèi)蒙古大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2010,41(1):116-119.

FAN Guoliang, ZHANG Xiaoyan. Improving the PV efficiency by tracking solar time angle at fixed time[J].Journal of Inner Mongolia University(Natural Science),2010,41(1):116-119.

[13] 陳 曉,羅會(huì)龍.昆明地區(qū)南墻面上小時(shí)太陽輻射量的計(jì)算[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11(13):3 063-3 065.

CHEN Xiao, LUO Huilong. The calculation of hourly solar radiation by building at south azimuth in Kunming[J].Science Technology and Engineering,2011,11(13):3 063-3 065.

[14] 王 敏,丁 明.太陽日總輻射量的Box-Jenkins模型[J].太陽能學(xué)報(bào),2012,33(3):386-390.

WANG Min, DING Ming. Box-Jenkins model for daily solar olar radiation[J]. Acta Energiae Solaris Sinica, 2012,33(3):386-390.

[15] 盧育發(fā),李旗號(hào),李 倩,等.雙軸跟蹤裝置對(duì)太陽能發(fā)電系統(tǒng)增效的理論研究[J].安徽電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2009,8(5):43-45.

LU Yufa, LI Qihao, LI Qian,et al. Theoretic study of efficiency increment of two-axis tracker for solar energy generator[J].Journal of Anhui Vocational College of Electronics & Information Technology,2009,8(5):43-45.

Efficiency analysis of overshoot tracking system on solar energy absorb device

WEI Bo, LUO Zhiwen，MA Xiaojing, HE Xiaowei, CHEN Tao, WANG Gang

(College of Electrical Engineering, Xinjiang University, Urumqi Xinjiang 830047，China)

The incident angles of solar rays have great effects on the solar energy radiation efficiency. Based on Lambert's law and the definition of exposure radiation value within the inclined plane outside the earth surface, the concept of tracking overshoot is introduced. Through the efficiency analysis of overshoot tracking system, it is found that the

solar energy by a real-time tracking system can reach the maximum, but require the real-time detection and control. The overshoot tracking system could achieve average efficiency of 95% of the above with only adjusting the receiving apparatus 3 times.

overshoot tracking; efficiency analysis; three point location; solar tracking system

1008-1542(2013)04-0377-04

10.7535/hbkd.2013yx04019

TU831

A

2013-04-04；

2013-05-19；責(zé)任編輯：王海云

魏 博(1985-)，男，新疆阿克蘇人，講師，碩士，主要從事強(qiáng)化換熱與過程結(jié)能方面的研究。

E-mail：weibo_shan@163.com