魏 博，羅智文， 馬小晶，賀小威，陳 濤，王 剛

(新疆大學電氣工程學院，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

(新疆大學電氣工程學院，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，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。在對超調(diào)跟蹤系統(tǒng)進行了效能分析后發(fā)現(xiàn)，實時跟蹤系統(tǒng)所能吸收的太陽能最多，但需要實時檢測與控制，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次就可達到平均效率95%以上的效果。

超調(diào)跟蹤；效能分析；三點定位；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。由于太陽的照射強度及角度等均受到所處地點的緯度、季節(jié)等條件的影響，存在密度不均以及間歇性、光照角度和強度隨時間不斷變化等問題[2]。伍春生等通過計算與實驗發(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行規(guī)律的基礎上，提出了一種在聚光條件下太陽跟蹤的方案[4-5]；許啟明等在總結了近年來國內(nèi)外太陽能跟蹤技術的發(fā)展情況，并明晰了太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的內(nèi)涵，給出了太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的定義和分類，最后評述了跟蹤系統(tǒng)的工程應用情況[6]。王春雷設計了五點法檢測太陽方位的方法[7]。朱方園等更是采用粗調(diào)與細調(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°時最大，但在60°～120°之間，其輻射強度變化并不大，而實時檢測與控制必然耗費相當?shù)碾娔躘9]，因此，為提高太陽能接收裝置的轉(zhuǎn)化效率，定時檢測與控制可減少中間檢測控制消耗的電能。本文提出了一種新型的超調(diào)跟蹤策略，即在跟蹤過程中，將全天太陽時分為若干個區(qū)域，采用定時調(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、控制與機械傳動頻繁導致的能源消耗，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朝向赤道傾斜平面的地外小時曝輻量的計算公式[10-11]為

(1)

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

此時如果能夠?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，在時角完全跟蹤太陽，則cosτ=1，則式(2)可以簡化為

(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，并且使得cosδ=1，假設時間間隔(τ2-τ1)較小，可以認為cosτ為[τ1,τ2]中間的值cosτ0[14-15]。這樣式(1)化為

(4)

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

(5)

2 計算結果

將實時跟蹤、固定不動與定時超調(diào)跟蹤3種情況同時除以曝輻量最大值，也就是實時跟蹤時的曝輻量，將其無量綱化，實時計算其吸轉(zhuǎn)化效率，并進行對比。在定時跟蹤系統(tǒng)中，將全天[-90° 90°]分為多個區(qū)域，每個區(qū)域為10°，20°，30°，40°，50°，60°，90°時實時效率與實時跟蹤和固定不動情況進行對比，如圖1所示。

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

從圖1可見，當實時跟蹤時，其無量綱化曝輻量恒為1；接收裝置固定不動時，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。

將上述結果在全天時間范圍內(nèi)求平均值，可在不同旋轉(zhuǎn)角度下，對一天內(nèi)轉(zhuǎn)化總效率進行對比，結果如圖2所示。

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

從圖2可見，當實時跟蹤時，其無量綱化曝輻量平均值為1；接收裝置固定不動時，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)，對于只調(diào)整一次，即間隔90°時旋轉(zhuǎn)一次平均效率可達90%以上；調(diào)整3次，即間隔60°旋轉(zhuǎn)1次，平均效率可達95%以上。

3 結 語

提出了一種新型的超調(diào)跟蹤系統(tǒng)，通過對太陽能接受裝置在實時跟蹤、固定不動及劃分若干區(qū)域進行超調(diào)跟蹤進行了無量綱曝輻量對比，得出以下結論：

1)采用實時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，但需要耗費大量裝置實時檢測、控制及機械傳動的能量；

2)采用固定不動式太陽能接收裝置，其無量綱曝輻量成余弦曲線，在太陽時角為0°附近時較大，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)，將全天太陽時角劃分為若干個區(qū)域，每天只用調(diào)整3次即可使全天平均轉(zhuǎn)化效率達到95%以上，同時耗費控制、檢測能量較少。

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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，主要從事強化換熱與過程結能方面的研究。

E-mail：weibo_shan@163.com