新型太陽能雙軸自動跟蹤模型

摘  要 在世紀(jì)末的今天，人類已越來越感受到能源危機、環(huán)境惡化的巨大痛苦和災(zāi)難，各國都在力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源，于是太陽能以其取之不盡、用之不竭、無污染等諸多優(yōu)點迅速博得人類的青睞。本文從中學(xué)的基礎(chǔ)知識出發(fā)，參考一些科普讀物，提出了“陰影法”和“擋板法”兩種跟蹤太陽的方案。兩法并用，雙軸驅(qū)動便可達(dá)到一年四季、從早到晚全程跟蹤太陽，最大限度地利用太陽能的目的。在此基礎(chǔ)上介紹了“新型太陽能雙軸自動跟蹤聚焦式集熱器”模型的制作過程，并對其演示結(jié)果進(jìn)行分析與小結(jié)，還對作品的推廣、普及及太陽能在二十一世紀(jì)的利用作了展望。

關(guān)鍵詞  太陽能  自動跟蹤  聚焦效率  雙軸跟蹤

一、選題目的

在世紀(jì)末的今天，人類已越來越感受到能源危機，環(huán)境惡化的巨大痛苦和災(zāi)難，各國都在力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源，于是太陽能以其取之不盡，用之不竭，是無污染的清潔能源等諸多優(yōu)點迅速博得人類的青睞。而今利用太陽能最成功、最普遍的方式，當(dāng)數(shù)光熱轉(zhuǎn)換類型。它也是太陽能直接利用中效率最高的一種類型。（一般光化學(xué)轉(zhuǎn)換的效率只有百分之幾，光電轉(zhuǎn)換的效率最高不超過百分之二十五，而光熱轉(zhuǎn)換的效率最高可達(dá)70% 以上。）雖然太陽能總能量很大，但由于太陽能的能量密度比較低（在大氣層外的平均密度約為1.35kw/m²，再考慮通過大氣層的損耗等因素，到達(dá)地面時，只有不到1kw/m²。）給太陽能的直接高效利用帶來極大困難。所以如何獲得更高的效率是太陽能利用的一個重要課題。

目前，太陽能的熱利用已從簡單的低溫集熱，向太陽能熱發(fā)電，化工中的蒸餾、精餾用熱等中高溫集熱的方向發(fā)展，所以一般固定平板式集熱器很難滿足要求。于是，我想能否制作一種“向日葵”般的設(shè)備來提高效率和溫度呢？

我從地理課本上了解到由于存在一個66.5度的黃赤交角,所以隨著地球的自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn),便產(chǎn)生了太陽每天時角和四季赤緯角的變化。于是太陽能雙軸自動跟蹤聚焦式集熱器的設(shè)想便產(chǎn)生了。

二、原理論證

太陽光的投射角不同，單位面積上收集的能量大小是不同的。為了說明這個情況，我們假設(shè)一截面為1m²的太陽光束S 以不同的角度投射到平面MN以上，在A處，光線垂直投射，入射角θ= 0，包含在太陽光線里的能量分布在1m² 的面積上；在B處，投射角0<θ¢< 90°，同樣多的能量分布在1/cosθˊm²的面積上。能量一定單位面積上的能量與面積成反比，所以B處單位面積上的能量，只有A處的cosθˊ倍。當(dāng)光線以85°角入射時，單位面積上的能量約只有垂直投射時的1/12。由此可見，太陽光投射角不同，收集能量的效率相差是很大，只有垂直投射時效率最高。以上只是在我的知識范圍內(nèi)從理論上定性地分析，為了驗證我的想法，我又查閱了一些資料。下面是我從《太陽能應(yīng)用技術(shù)》這本書上查到的公式：

傾斜面上陽光入射角公式

cosθ=cosSsinФsinδ+cosScosФcosδcosω+sinSsinγcosδsinω

+sinSsinФcosδcosωcosγ-sinScosγsinδcosδ

γ-方位角     δ-太陽赤緯角     S-傾斜角

θ-傾斜面上陽光入射角     ω-太陽時角      Ф-傾斜面所在地理緯度

當(dāng)δ，ω確定之后，調(diào)整傾斜面的S和γ就能調(diào)整θ，θ越小，則太陽能收集器效率越高，當(dāng)θ=0時，太陽射線垂直于收集器平面，這時效率最高，所以調(diào)整θ就可以調(diào)整太陽能收集器接受能量輻射大小，這就是太陽跟蹤原理。而以下是我從對太陽能做了長期研究的亞利桑那州立大學(xué)的Platon Baltas等教授發(fā)表在Solar Energy雜志上的文章（Evaluation Of Output For Fixed And Step Tracking Photovoltaic Arrays）上查到的資料：

以上兩張圖表定量地反映了跟蹤的優(yōu)越性。

所以，為了達(dá)到最高效率，必須進(jìn)行雙軸跟蹤。怎么實現(xiàn)呢？我構(gòu)想了以下兩種簡便的跟蹤方案：

⒈陰影法：當(dāng)太陽、熱管、太陽能電池板三線一面時，太陽光垂直于拋物面，效率最高，而此時由于熱管的陰影遮擋住太陽能電池板，電池板中沒有電流，驅(qū)動機構(gòu)不工作；當(dāng)太陽發(fā)生偏移，熱管的影子移出太陽能電池板，電池板受到陽光照射，產(chǎn)生電流，驅(qū)動機構(gòu)帶動拋物面偏轉(zhuǎn)；當(dāng)太陽、熱管、太陽能電池板重新進(jìn)入三線一面，熱管的影子重新移入太陽能電池板，電池板中沒有了電流，拋物面停止轉(zhuǎn)動，而此時拋物面恰好正對太陽，集熱效率仍是最高，從而實現(xiàn)自動跟蹤。

⒉擋板法：當(dāng)太陽光垂直入射時，效率最高，而此時由于擋板兩側(cè)的光敏電阻所受的光照強度相等，阻值和分壓值也相等，驅(qū)動機構(gòu)不工作；當(dāng)太陽斜射時，兩側(cè)光敏電阻所受光照強度不同，阻值和分壓值也不同，裝置向光照強度較大的一方偏轉(zhuǎn)，直到兩側(cè)光敏電阻的分壓值再次相等，此時檔板平面恰好正對太陽，效率最高。

三、制作模型

我的跟蹤裝置由集熱裝置、控制傳動裝置和跟蹤驅(qū)動裝置組成。集熱裝置由熱管和拋物面反射鏡組成，熱管為位于拋物面的焦軸線上。而太陽能電池板既作動力源又作東西向跟蹤的傳感器，位于熱管的正下方（其大小以當(dāng)太陽光垂直投射時，熱管的陰影恰好能完全遮住太陽能電池板為宜）。而南北方向上太陽赤緯角的自動跟蹤裝置部分由東西向的檔板和光敏電阻組成控制部分。

東西向跟蹤采用6V微型電機驅(qū)動，南北向跟蹤采用“6V，30r/m”低速電機驅(qū)動。機構(gòu)工作電流部分由太陽能電池板提供，其提供電流儲存于蓄電池中，其余部分由外接電源提供。

本裝置在東西方向上的跟蹤，采用陰影法；而南北方向上的跟蹤，采用擋板法。這樣兩個方向上跟蹤的疊加，就使三維空間上的自動跟蹤成為現(xiàn)實。南北方向上的跟蹤采用低速電機驅(qū)動，輸出速度約為每分鐘30轉(zhuǎn)。而南北方向上太陽一年的偏轉(zhuǎn)在正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)約47度左右，一天的偏轉(zhuǎn)度數(shù)約只有15¢。可第一次調(diào)試，裝置在2秒內(nèi)偏轉(zhuǎn)了約90度 ，顯然不合要求。為了使轉(zhuǎn)速符合要求，我想到用兩套渦輪、渦桿進(jìn)行二級變速。經(jīng)過實驗，證明經(jīng)過二級變速，輸出轉(zhuǎn)速可降低到1-2轉(zhuǎn)/分，基本符合要求。

四、結(jié)果分析

⑴裝置的東西向跟蹤采用陰影法是因為東西向跟蹤為跟蹤太陽每天時角的變化，此向跟蹤，裝置的轉(zhuǎn)動幅度較大，轉(zhuǎn)動頻率較高，因此用太陽能電池自給自足，可消除對外接電源的依賴。這樣，太陽能電池既作動力源，又作傳感器，特別適用于無電或少電地區(qū)。

裝置的南北向跟蹤采用擋板法是因為南北向跟蹤為跟蹤太陽四季赤緯角的變化，此向跟蹤，裝置的轉(zhuǎn)動幅度較小，轉(zhuǎn)動頻率不高。由于光敏電阻較為廉價，在偏轉(zhuǎn)角度不是很大的情況下（全年只有正轉(zhuǎn)47度，反轉(zhuǎn)47度），耗電量也不是很大，所以在這種情況下使用檔板法較為經(jīng)濟。

⑵此裝置若采用球狀拋物面進(jìn)行點式聚焦還可以達(dá)到最高集熱溫度。而且線式聚焦是在一條線上集熱，所以對裝置在三維空間的跟蹤要求不是特別嚴(yán)格。但點式聚焦要求始終聚焦于一點，才能達(dá)到最高效率，對跟蹤的要求相對較高。所以，為使裝置達(dá)到最高集熱溫度，可改進(jìn)為采用球狀拋物面進(jìn)行點式聚焦。

⑶據(jù)資料記載：聚焦式集熱器的最高運行溫度可達(dá)2000攝氏度。這是因為聚焦式集熱器利用光學(xué)系統(tǒng)改變太陽光光束方向，使入射輻射聚焦到吸收表面上，可以提高能流密度。對于給定的總能量，表面能流密度的提高也就意味著吸收表面面積的減少，相應(yīng)地減少了熱損失。因此，與平板型集熱器相比，容易提高集熱溫度。但由于聚焦式集熱器多要配備跟蹤裝置，而現(xiàn)在的跟蹤裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本很高，所以阻礙了它的推廣應(yīng)用。我們應(yīng)該看到，聚焦型集熱器是許多太陽能應(yīng)用項目中不可缺少的，特別是它的高溫特性并不是平板型集熱器所能代替的。因此，它的重要性不容忽視。

五、展望

⒈我的裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本也不高。若采用球狀拋物面進(jìn)行點式聚焦，可達(dá)最高集熱溫度，可直接用于化工中的精餾、蒸餾等中高溫用熱。若此裝置與汽輪機、發(fā)電機聯(lián)結(jié)，通過調(diào)節(jié)電池板的數(shù)量實現(xiàn)動力的自己自足，可以為太陽能充足而電力不足的地區(qū)的分散用戶提供方便。

⒉專家預(yù)測，太陽能將是二十一世紀(jì)最主要的能源之一，到了21世紀(jì)中葉，太陽能將占世界能源總消耗的30%以上。所以，世界發(fā)達(dá)國家無不投入巨大的人力、物力、財力進(jìn)行太陽能的開發(fā)利用的研究，并制定出相應(yīng)的發(fā)展計劃。如日本的“陽光計劃”和美國的“百萬屋頂計劃”。我想，我國也應(yīng)該制定出相應(yīng)的太陽能發(fā)展計劃。因此，有關(guān)太陽能利用的研究將是今后的熱門專業(yè)之一，這要求我們青少年去關(guān)注、去思考，用自己的智慧和汗水，去建設(shè)一個更加美麗、更有活力的家園！

六、鳴謝