陳惠遠(yuǎn)

（上海市建平中學(xué)，上?！?00135）

基于仿向陽(yáng)植物的
聚光式球體太陽(yáng)能電池的采光效率研究

陳惠遠(yuǎn)

（上海市建平中學(xué)，上海200135）

課題根據(jù)太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換效率的原理，從研究增加太陽(yáng)能電池板吸收光子的數(shù)量、光的強(qiáng)度和入射角度等入手，利用物理學(xué)知識(shí)，并輔助地理學(xué)、生物學(xué)、材料學(xué)等學(xué)科的知識(shí)，綜合地分析并提出了提高太陽(yáng)能電池的采光效率的方案。一是基于柔性太陽(yáng)能電池板這一新材料，根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)行的規(guī)律，創(chuàng)新性地提出了使用球體形狀的太陽(yáng)能電池板，增加了光照有效面積和穩(wěn)定性；二是受天文望遠(yuǎn)鏡原理的啟發(fā)，通過(guò)拋物面鏡和凸透鏡結(jié)合的反射+折射式聚光裝置，改變了球體太陽(yáng)電池接受光線的方向并匯聚更多光線；三是運(yùn)用仿生學(xué)原理，模仿向陽(yáng)植物，采用光敏電阻采光，簡(jiǎn)單電子電路控制的自動(dòng)追光裝置，優(yōu)化了反射和折射裝置的角度。通過(guò)上述三者的結(jié)合，較大程度地提高了太陽(yáng)能電池板的利用率。

太陽(yáng)能仿生學(xué)自動(dòng)追光系統(tǒng)球形電池板光折射加反射

由于該裝置對(duì)太陽(yáng)光的利用效率非常高、相對(duì)其他方式的太陽(yáng)能裝置更加便于攜帶，在應(yīng)用方面，將與移動(dòng)電源結(jié)合儲(chǔ)存和使用電能，特別適用于野外作業(yè)、軍事、自駕旅游等用途。同時(shí)，該裝置針對(duì)特定的戶外環(huán)境，提出了球形太陽(yáng)能電池板借助“大自然的反光鏡”的新想法。彌補(bǔ)了在極地、冰川、雪地等特定環(huán)境下，能源需求大，但又不便利用太陽(yáng)能的缺陷，提高了太陽(yáng)能電池的利用率和穩(wěn)定性。通過(guò)靈活運(yùn)用中學(xué)多學(xué)科的知識(shí)，既有巧妙的創(chuàng)新性、又具有較強(qiáng)的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。

1　研究背景

1.1研究目標(biāo)

目前制約太陽(yáng)能廣泛應(yīng)用的主要因素除了穩(wěn)定性（受天氣、時(shí)間、季節(jié)、問(wèn)題等的變化太陽(yáng)能裝置的穩(wěn)定性較差，在陰天、晚上和冬天等需要能源的時(shí)候，反而供應(yīng)不足。經(jīng)常需輔助電能等其他能源供應(yīng)方式，如電輔型的太陽(yáng)能熱水器）以外，主要是效率和成本。由于太陽(yáng)能板的成本較高，一次性投入較大，且存在衰減和一定的壽命限制（根據(jù)質(zhì)量而不同，目前民用裝置一般在15至30年）。因此，提高太陽(yáng)能電池板的光電轉(zhuǎn)換效率，使有限面積的太陽(yáng)能電池板在一定的自然條件下，可以產(chǎn)生更大的電能，并有效地儲(chǔ)存起來(lái)，具有很大的意義。

太陽(yáng)能電池板是主要工作原理是光電效應(yīng)。即當(dāng)光子照射到金屬表面時(shí)，電子吸收光子所帶有的能量，克服逸出功，并且還帶有剩余能量，而這些剩余能量則成為電子的動(dòng)能，從而形成電流。設(shè)光子頻率為γ，普朗克常量為h，電子逸出功為W（由材料性質(zhì)決定），則電子最大動(dòng)能 Kmax表達(dá)式為：

圖1　

圖2　追光裝置原理圖

圖3　平板電池光線利用率計(jì)算圖

圖4　球形電池光線利用率計(jì)算圖

K-max = hγ－W

而在實(shí)際應(yīng)用中，要提高太陽(yáng)能光電轉(zhuǎn)換功率，首先需要提高單位面積太陽(yáng)能電池板對(duì)光的吸收的量，而這個(gè)量又直接受到接收太陽(yáng)光線的電池板的有效面積、日照的時(shí)間以及電池板自身的性質(zhì)相關(guān)。因此我們總結(jié)為如下公式：

圖5　球體電池反射計(jì)算圖

圖6　球體電池聚光加反射模型及參數(shù)

圖7　施密特反相器原理

η（E-g） = F（Eg， Ny， ψγ， Vapp， I0）

其中，Eg是半導(dǎo)體的能量帶隙，Ny是吸收光子數(shù)，ψγ是量子轉(zhuǎn)換效率（IPCE），Vapp是兩電極系統(tǒng)中的外加偏壓，I0則是入射光強(qiáng)。

因此，本課題主要以提高太陽(yáng)能電池板利用太陽(yáng)光的有效面積為目標(biāo)，并將其定義為太陽(yáng)能電池板的利用效率。即在電池板實(shí)際面積一定的情況下，研根據(jù)太陽(yáng)光在每一天的各時(shí)刻、每年的各個(gè)季節(jié)其角度都會(huì)發(fā)生，研究如何使太陽(yáng)能電池板能夠更加多地接受太陽(yáng)光，并加以利用和儲(chǔ)存。

1.2現(xiàn)狀調(diào)研

1.2.1電池板形狀

*目前最常見(jiàn)的電池板的平板式、硬性電池板。

*2012年日本人發(fā)明了小顆粒構(gòu)成的半球體太陽(yáng)能電池，并申請(qǐng)專利。

1.2.2追光裝置

在平板式的基礎(chǔ)上，增加太陽(yáng)光追蹤裝置，一般采取單片機(jī)和簡(jiǎn)單電壓差原理的PID電路方式。

1.2.3新材料

*2010年陸續(xù)出現(xiàn)各類柔性太陽(yáng)能電池板的運(yùn)用（造價(jià)較高、輕、??；可適當(dāng)彎曲）；

*2013年6月蘇大學(xué)生發(fā)明柔性聚合物太陽(yáng)能電池板，可隨意彎折；

*2014年5月澳大利亞人實(shí)現(xiàn)通過(guò)3D技術(shù)打印的太陽(yáng)能電池。

1.2.4反射裝置

*對(duì)平板電池使用平面或拋物面鏡反射。

*2012年德國(guó)人，發(fā)明了球形反射裝置，昂貴但陰天、晚上可用。

*內(nèi)球形聚光裝置，在閉合的開(kāi)孔球體內(nèi)面采光，并多次反射聚光，充分利用太陽(yáng)能（可用總量?。?。

2　研究方案與原理

2.1研究思路

本課題針對(duì)提高太陽(yáng)能電池的光電利用率，在傳統(tǒng)的平板跟蹤的基礎(chǔ)上提出了球體聚光方案。前者是通過(guò)壓差原理控制太陽(yáng)跟蹤裝置，提高了靈敏度，后者是柔性太陽(yáng)能電池板的特定形狀，結(jié)合反射和折射的聚光裝置，并結(jié)合追光裝置，應(yīng)用于移動(dòng)電源，縮短充電時(shí)間，拓寬使用范圍，且不需人工干預(yù)或后期電能供給；具有巧妙新穎，原理簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便的特點(diǎn)，適合推廣。通過(guò)多種途徑，節(jié)能環(huán)保，應(yīng)用面寬，適合推廣。

2.2技術(shù)路線（圖1）

2.3研究方案

2.3.1球體電池板

在研究提高傳統(tǒng)的平板式加跟蹤裝置的太陽(yáng)能電池利用效率的基礎(chǔ)上，由平板電池受的太陽(yáng)光的跟蹤裝置驅(qū)動(dòng)，需要耗費(fèi)相當(dāng)?shù)哪芰?，甚至可能入不敷出。在新材料發(fā)展，出現(xiàn)球體電池和柔性電池的前提下，從幾何學(xué)的角度考慮，可以將平板二維轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)展為直接使用球體電池。這樣比傳統(tǒng)模式相比，不論從每日的從清晨到傍晚的時(shí)間，還是一年四季的太陽(yáng)高度角的變化，都可以避免受到入射光的角度的影響，而且也不會(huì)因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)太陽(yáng)能電池而耗費(fèi)額外的能量，利用率更高而且更加穩(wěn)定。

2.3.2聚光透鏡的折射和凹面反射鏡結(jié)合的球體聚光裝置

擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題：球體正面直射太陽(yáng)光時(shí)，不能保證處處都垂直入射，陽(yáng)光的利用效率底下，另外球體太陽(yáng)能電池只能有半個(gè)球面接受直射的太陽(yáng)光，余下的半個(gè)球面需要通過(guò)其他途徑接受太陽(yáng)光。

解決方案：受到天文望遠(yuǎn)鏡通過(guò)多重反射加折射可提高光強(qiáng)并優(yōu)化角度的啟發(fā)，通過(guò)理論計(jì)算，確定在空間受限情況下，使用凸透鏡的折射作用，保證陽(yáng)光垂直入射的最大化。

（1）為了提高球形電池板的有效受光面積，我們應(yīng)該盡量使光路沿球體的法線方向射入。

由計(jì)算，太陽(yáng)能直射面AMB為球形電池板的一半，太陽(yáng)能吸收率為100%；太陽(yáng)能反射面ANB也為球形電池板的一半。太陽(yáng)能吸收率取決于反射面的折射率，由反射面的材料特性決定，假設(shè)反射面的反射率為δ，則反射光直射有效比例為δ*50%。太陽(yáng)能直射有效面積為即（1+δ）*50%*S；太陽(yáng)能電池板總的太陽(yáng)能吸收率=（1+δ）*50%；考慮到太陽(yáng)的直射比率為50%，即太陽(yáng)能利用效率=（1+δ）*50%。若法向量入射，則太陽(yáng)能直射面為表面積的一半，即2πR2，即為球體橫截面積的2倍，效率提高了一倍，變?yōu)?*（1+δ）*50%。

圖8　（a）順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

（b）逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)

（2）凹面反射鏡有很好的反射聚光作用，當(dāng)球體位于拋物線形凹面鏡的焦點(diǎn)時(shí)，平行入射的太陽(yáng)光能夠很好的匯聚在球體上，從而有效地利用了背陽(yáng)面的球體材料。

（3）結(jié)合以上兩點(diǎn)的研究，初步設(shè)計(jì)出了同時(shí)集成折射和反射的球形太陽(yáng)能聚光電池，其中球形柔性聚光材料位于凸透鏡與凹面反射鏡的共焦處。

2.3.3聚光裝置和追光裝置的結(jié)合

在折射加反射的聚光裝置上，增加對(duì)太陽(yáng)光的跟蹤裝置，簡(jiǎn)稱追光裝置，可以通過(guò)調(diào)整聚光裝置和太陽(yáng)光線的角度關(guān)系，進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池的利用率。具體方案是在一塊平板兩端分別安裝一個(gè)光電三極管，三者輸入比較器用于檢測(cè)兩側(cè)光照強(qiáng)度的不同（如圖2）。將獲得的誤差信號(hào)輸入自動(dòng)控制電路，電路根據(jù)電壓差信息自動(dòng)向馬達(dá)發(fā)出相應(yīng)指令，使馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而調(diào)整位置，使誤差信號(hào)基本為零——光電三極管A，B接收的光照強(qiáng)度基本相同，輸出的電壓基本相同，輸入比較器的電壓差為零。追光裝置所需能量可以利用太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化。

3　方案計(jì)算和實(shí)現(xiàn)

3.1平板與球體對(duì)比計(jì)算（圖3）

（1）平板太陽(yáng)能電池板。

假設(shè)AB面積為S，假設(shè)AB與地平線夾角為α。

情形1：太陽(yáng)光與地平線平行，太陽(yáng)光在太陽(yáng)板AB垂直照射面即為OA，則垂直照射面積=s*sinα

情形2：太陽(yáng)光與太陽(yáng)板垂直，太陽(yáng)光在太陽(yáng)板AB垂直照射面積就是S；

情形3：太陽(yáng)光與地平線垂直，太陽(yáng)光在太陽(yáng)板AB垂直照射面即為OA，則垂直照射面積=s*cosα

為：1：0.5

（2）一維追光。

考慮圍繞Y軸的一維追光：

則全天單位時(shí)間平均照射面積為

（3）球形太陽(yáng)能電池板。球形電池板具有太陽(yáng)光接觸表面積大的優(yōu)點(diǎn)，且無(wú)論太陽(yáng)照射角度如何，均可直接照射球體表面積的一半，且可通過(guò)選擇反射介質(zhì)進(jìn)行最大化利用太陽(yáng)能。假設(shè)太陽(yáng)光可直接照射范圍為左上半球AMB，可反射范圍為右下半球ANB。其中光線AC和光線BD為球的平行切線，如圖4所示。

步驟1：任意角度的太陽(yáng)光直接照射球體表面的一半，假設(shè)球體半徑為R，則直接照射到球體表面積；如假設(shè)反射光與直射光方向完全相反，在理想狀態(tài)下，間接反射到球體表面積最大時(shí)。

步驟2：太陽(yáng)光直射的有效面積為太陽(yáng)能電池板可吸收的部分表面積=圓AOB的面積=，為太陽(yáng)光照射面積的一半，即太陽(yáng)直射有效比率為50%。

結(jié)論：球形太陽(yáng)能電池板無(wú)需使用追光裝置，即相當(dāng)于一個(gè)實(shí)時(shí)與太陽(yáng)光直射平面太陽(yáng)能電池板，實(shí)際利用率較高且穩(wěn)定。

（4）球體電池加平面反射。球體太陽(yáng)能直射面AMB為球形電池板的一半，太陽(yáng)能吸收率為100%；太陽(yáng)能反射面ANB也為球形電池板的一半。太陽(yáng)能吸收率取決于反射面的折射率，由反射面的材料特性決定，假設(shè)反射面的反射率為δ，則反射光直射有效比例為δ *50%。

*太陽(yáng)能直射有效面積即為：（1+δ）*50%*S

*太陽(yáng)能電池板總的太陽(yáng)能吸收率=（1+δ）*50%；

*考慮到太陽(yáng)的直射比率為50%，即太陽(yáng)能利用效率=（1+δ）*50%。

情形1：若選擇無(wú)色玻璃作為反射介質(zhì)，普通無(wú)色玻璃的可見(jiàn)光反射率在8～10%左右，即此時(shí)太陽(yáng)能電池板的利用效率=54%～55%。

情形2：若選擇雪作為反射介質(zhì)，雪的反射率在80～90%左右，即此時(shí)太陽(yáng)能電池板的利用效率=90%～95%。

情形3：若選擇冰作為反射介質(zhì)，冰的反射率在60～70%左右，即此時(shí)太陽(yáng)能電池板的利用效率=80%～85%。

情形4：若選擇以鏡面作為反射介質(zhì)，反射率在85～90%左右，鍍銀玻璃可達(dá)到95%，新型納米鏡子可達(dá)到99.9%，此時(shí)的太陽(yáng)能電池板的利用率接近100%。

結(jié)論：根據(jù)上述分析和計(jì)算，在同等日照條件下，假設(shè)對(duì)于平板式追光裝置，假設(shè)不存在驅(qū)動(dòng)電池板所需的能耗，且不考慮由于時(shí)間和季節(jié)變化，太陽(yáng)高度和角度變化導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)的路徑增長(zhǎng)，能耗增加；假設(shè)對(duì)于球體聚光裝置，不考慮反射后重疊、以及由于反射鏡與球體的距離及反射鏡面積導(dǎo)致的不同程度的陰影問(wèn)題，則同樣面積的柔性太陽(yáng)能電池板，采用平板追光式低于球體聚光式的光電利用率；在自然雪地、冰面等自然條件下，無(wú)需額外增加反射裝置，可明顯提高了光的利用率。

3.2折射加反射聚光裝置的相關(guān)計(jì)算

（1）凸透鏡的焦距計(jì)算（折射光線）。已知透鏡的厚度與平面部分的半徑分別為d和R，首先我們根據(jù)勾股定理，求出該透鏡的曲率半徑的值。當(dāng)光垂直于平面入射到透鏡圓弧上的點(diǎn)A時(shí)，假設(shè)其到光軸的距離為h，那么入射角α可由反三角函數(shù)求得：

透鏡的折射率為n，OA為入射光的法線，那么折射光線AF入射到焦點(diǎn)處時(shí)，折射角β根據(jù)折射定律，可計(jì)算得：

則OF可由FB-OB得到，也即：

所以，焦點(diǎn)F到平面的距離最終可求得：

取定參數(shù)d=2cm，R=4.5cm，h=4cm，n=1.33，代入上述式子，求得球體的曲率半徑為6cm，擺放位置為l=19.1cm。

（2）拋物面反射鏡焦點(diǎn)計(jì)算。球形太陽(yáng)能電池半徑為R=4.5cm，取定拋物面反射鏡的半寬為20cm，要將球體放置于該反射鏡的焦點(diǎn)處，那么根據(jù)拋物線曲線的基本形式：

建立如圖5所示坐標(biāo)軸，則20cm對(duì)應(yīng)的縱軸y應(yīng)當(dāng)恰好等于焦距p，所以，式（1）可以寫(xiě)成：

只需知道x值便可求出焦點(diǎn)所在位置p，將x=20cm代入得到p=14.14cm。

綜合以上，我們把球體放置在拋物面反射鏡與平凸透鏡的共焦位置處，如圖6所示。

3.3基于聚光裝置的追光裝置

由于在不同的季節(jié)，同一天的不同時(shí)間下，太陽(yáng)的入射角度都會(huì)不同。因此為了保證裝置始終維持向陽(yáng)面以追求太陽(yáng)能利用率的最大化，我們?cè)黾恿俗饭庋b置，使得凸透鏡與凹面反射鏡的焦平面與陽(yáng)光入射角度保證垂直。

自動(dòng)控制電路原理：自動(dòng)控制原理是指在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用外加的設(shè)備或裝置（稱控制裝置或控制器），使被控對(duì)象的某個(gè)工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行，其中被控對(duì)象的輸出量即被控量是要求嚴(yán)格加以控制的物理量，它可以要求保持為某一恒定值。

考慮到光線跟蹤傳感器部分，直接通過(guò)太陽(yáng)能電池板輸出的電壓實(shí)現(xiàn)壓差控制的靈敏度比較低，經(jīng)過(guò)思考，改為通過(guò)光電三極管輸出的電壓實(shí)現(xiàn)壓差控制裝置轉(zhuǎn)動(dòng)。

（1）關(guān)鍵技術(shù)一：使用兩塊太陽(yáng)能電池板的輸出電壓比較后做為光強(qiáng)變化的誤差信號(hào)，存在成本較高和光強(qiáng)靈敏度不高的問(wèn)題。

解決方案：經(jīng)過(guò)討論，決定將電池板換成光電三極管，這樣能提高裝置的靈敏度，減小追光失誤的可能性。當(dāng)太陽(yáng)光正對(duì)兩個(gè)光電三極管時(shí)，它們受到的太陽(yáng)光亮度相同，輸出的電壓為電源電壓的一半，即此時(shí)處于平衡狀態(tài)。當(dāng)太陽(yáng)位置改變時(shí)，兩個(gè)三極管受到的太陽(yáng)光亮度不同，導(dǎo)致電路中分壓器輸出的的電壓發(fā)生改變，平衡被打破。分壓器將信號(hào)輸送給信號(hào)處理器，經(jīng)信號(hào)處理電路輸出兩個(gè)相反的信號(hào)，然后反饋控制電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。太陽(yáng)能電池板的輸出可以給其他小型電器充電和做為電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。

（2）關(guān)鍵技術(shù)二：分壓器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換極性，是馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)電路轉(zhuǎn)動(dòng)，又導(dǎo)致輸入電平反向變化，于是輸出信號(hào)又轉(zhuǎn)換極性，使電動(dòng)機(jī)反向轉(zhuǎn)動(dòng)，最終使馬達(dá)不停正向反向轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖7所示。

解決方案：電路中增加施密特觸發(fā)反相器。施密特反相器根據(jù)分壓器的輸入信號(hào)的高低來(lái)決定輸出低電平還是高電平。門(mén)電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時(shí)電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門(mén)電路，與普通的門(mén)電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓。

利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的正反饋?zhàn)饔茫斎氲男盘?hào)只要幅度大于Vt+，即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號(hào)。當(dāng)輸入電壓由低向高增加，到達(dá)V+時(shí)，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達(dá)V-，輸出電壓發(fā)生突變，因而出現(xiàn)輸出電壓變化滯后的現(xiàn)象，可以看出對(duì)于要求一定延遲啟動(dòng)的電路，適用性大為提高。

（3）關(guān)鍵技術(shù)三：由于二極管的存在現(xiàn)在信號(hào)處理電路的兩個(gè)輸入電壓之間始終存在一定的電壓差，這樣使二極管恒定的“正向壓降”在兩個(gè)反相器的轉(zhuǎn)換狀態(tài)之間提供了一個(gè)電動(dòng)機(jī)無(wú)法轉(zhuǎn)動(dòng)的區(qū)域，防止馬達(dá)重復(fù)正向反向轉(zhuǎn)動(dòng)，可能發(fā)生紊亂。

解決方案：使用一支晶體二極管，目的是信號(hào)處理電路的輸出端A和B的狀態(tài)就會(huì)有相同的時(shí)候，這是由于H橋電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的兩個(gè)控制端的電平相同，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng).面朝光源。這里的連接方式為正向偏置，即在電路中，如果將晶體二極管的正級(jí)接在高電位端，負(fù)級(jí)接在低電位端，二極管就可能導(dǎo)通。晶體二極管導(dǎo)通后，他兩端的電壓基本上保持不變。這樣可以得到恒定電壓。將一支普通的開(kāi)關(guān)二極管正向接入光電元器件回路，再將信號(hào)處理電路的輸入電壓從二極管的兩端分別引出。

（4）關(guān)鍵技術(shù)四：使用“H-橋”電路驅(qū)動(dòng)馬達(dá)。H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)向。

要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。如圖8 所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。

當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^指示為順時(shí)針?lè)较颍?。?dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周?chē)募^表示為逆時(shí)針?lè)较颍?/p>

3.4計(jì)算結(jié)論

在將平板跟蹤式方案與球體聚光方案投入實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，兩者在裝置尺寸與規(guī)格，有效受光面積，光電轉(zhuǎn)化效率，自身能耗以及實(shí)際適用場(chǎng)所等多個(gè)方面有著較為明顯的差異；球體聚光方案的效率及實(shí)用性更優(yōu)。

4　創(chuàng)新點(diǎn)

（1）本課題選擇壓差原理控制太陽(yáng)跟蹤裝置，不是簡(jiǎn)單的平板轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面相對(duì)機(jī)械式，提高了精度，且不需人工干預(yù)；另一方面相對(duì)單片機(jī)，具有效原理簡(jiǎn)單、成本低廉、維護(hù)方便的特點(diǎn)，適合推廣。

（2）研究顆粒形球體太陽(yáng)能板及柔性的太陽(yáng)能薄膜電池，提出了電池新形狀的研究。

（3）在外球面設(shè)置折射加反射的聚光裝置，以及借助“大自然的反光鏡”的新想法。無(wú)需使用追光裝置是本方案的一個(gè)亮點(diǎn)，提高了裝置的光利用效率。

（4）在應(yīng)用范圍的推廣方面，不僅僅局限于野外、戶外的作業(yè)、軍事活動(dòng)和旅行中的電子產(chǎn)品的充電，能夠在城市的交通系統(tǒng)中運(yùn)用，例如紅綠燈上方的圓弧狀擋板，公交車(chē)站遮陽(yáng)板，隧道出口處；以及部分房屋的陽(yáng)臺(tái)的雨棚頂安裝柔性太陽(yáng)能供電裝置。

5　需解決的問(wèn)題和后續(xù)改進(jìn)方向5.1　球形聚光

（1）考慮到通過(guò)光的折射反射過(guò)程較復(fù)雜，同時(shí)存在光直射和反射兩種情況，還可能存在部分球面即重復(fù)接收太陽(yáng)光直射和反射光，及重疊后可接受的效率問(wèn)題。

（2）由于聚光裝置和球體距離的原因，以及聚光裝置本身面積的原因，導(dǎo)致部分角度（如太陽(yáng)直射時(shí)）存在由于陰影導(dǎo)致無(wú)反射光的情況，需要深化計(jì)算和剔減。

5.2追光裝置

（1）目前未考慮驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)能裝置需耗費(fèi)的電能。理論上應(yīng)與太陽(yáng)能電池板的重量和移動(dòng)的距離相關(guān)，在單個(gè)馬達(dá)，一維移動(dòng)的情況下，應(yīng)該僅為太陽(yáng)能電池板整體180度旋轉(zhuǎn)所耗費(fèi)的能量，但是實(shí)驗(yàn)表明，由于影響光的強(qiáng)弱的因素是多方面的，加之電壓差的敏感度的問(wèn)題，實(shí)際移動(dòng)比較頻繁，能源耗費(fèi)較多。

（2）目前的計(jì)算未考慮季節(jié)因素，太陽(yáng)與地球維度的關(guān)系實(shí)際是在變化的，一年之內(nèi)是在南北回歸線之間移動(dòng)，每天雖然變化不太，但全年累積下來(lái)太陽(yáng)的高度角實(shí)際是有47度左右的變化的（上海緯度31度，則夏至?xí)r太陽(yáng)高度角=90度-31度-23.5度；冬至?xí)r則==90度-31度+23.5度；兩者差為47度），也將延長(zhǎng)理論的追光路徑和長(zhǎng)度。后續(xù)擬通過(guò)細(xì)化電路，不僅平轉(zhuǎn)而且可以縱向移動(dòng)。

上述兩個(gè)問(wèn)題，將在后續(xù)結(jié)合理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步計(jì)算和研究。

5.3改進(jìn)方向

（1）球體變形，自適應(yīng)，體表比最大。

（2）吸收更為有效的紫外光線。

6　下一步研究計(jì)劃

計(jì)劃2014.11.10-2014.11.23 完成方案的裝置與理論計(jì)算（并通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試追光裝置的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，記錄追光全過(guò)程，將通過(guò)不追光太陽(yáng)能裝置與追光裝置長(zhǎng)期的對(duì)照，估算追光裝置提高的效率）。2014.11.24-2014.12.30 改進(jìn)原方案，可能結(jié)合應(yīng)用。根據(jù)第八階段的測(cè)試情況與結(jié)果，對(duì)裝置進(jìn)行細(xì)微調(diào)整后，選擇合適的電子設(shè)備，連接到裝置，探索假設(shè)的應(yīng)用的可行性。

［1］R.B.FeynmanR.B.LeightonM.Sands費(fèi)恩曼物理學(xué)講義第1卷.

［2］倪斌.用一種簡(jiǎn)易模擬電路實(shí)現(xiàn)儀表PID控制［J］.引進(jìn)與咨詢，2000（2）.

［3］TimWascott.容易理解的PID.

［4］劉莫塵.獨(dú)立光伏發(fā)電的自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)［J］.2005.

［5］段曉飛.太陽(yáng)能發(fā)展前景及應(yīng)用研究［J］.現(xiàn)代商貿(mào)工業(yè)，2010（12）.

［6］張欣宏等.以FPGA實(shí)現(xiàn)智能型太陽(yáng)能追蹤控制系統(tǒng).嵌入式處理器設(shè)計(jì)大賽，2007.

［7］胡國(guó)強(qiáng).基于AT89C51單片機(jī)的太陽(yáng)能電池板轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).科技向?qū)В?012（9）.