基于仿向阳植物的球体聚光式太阳能移动电源的分析与研究毕业论文.docx
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基于仿向阳植物的球体聚光式太阳能移动电源的分析与研究毕业论文
基于仿向阳植物的球体聚光式太阳能移动电源的分析与研究
基于仿向阳植物的球体聚光式太阳能移动电源的分析与研究
摘要：
本项目通过综合运用光学、电子学、数学以及地理等跨学科的知识对比和分析，采取多种手段组合，提高太阳能电能储存装置的效率，使其更加广泛和有效地运用于野外作业、军事作战和旅行途中的工作和生活设备。
主要提出并分析了两种提高光电利用率的方案，一是平板跟踪式的太阳能电池，以光敏电阻采光，简单电子电路构成的自动控制系统实现自动追光装置；二是球体聚光式的太阳能电池薄膜（柔性），以光的反射提高光电利用效率。
通过理论计算，确定了在有限空间内使用时所需反射镜的形状，以及在特殊自然环境中，直接利用地面较强的反射光（例如冰川，雪地）的可行性和太阳能电池板的光电利用率。
并且将两种方案应用于移动电源，白天储存电能，夜晚启动LED照明灯，通过分析与对比，达到提高装置发电效率的目的。
该项目从实际出发，充分考虑外界环境的特殊性与局限性，研究了提高太阳能电池板的光电利用率的两种方案，通过增大光照有效面积，光线来源范围等多个途径实现了光电利用率的提高，方案二是在方案一的基础上，紧扣不同季节、时间和位置条件下，延伸解决可接收太阳光面积这一影响太阳利用率的核心，创新提出了利用新材料制作新形状的太阳能电池研究以及借助“大自然的反光镜”的新想法。
本项目弥补了特定环境下，不便利用太阳能的缺陷，拓展了太阳能电池的使用范围。
有节能环保，绿色安全，经济实惠的优点，也有一定创新。
关键词：
太阳能；仿生学；自动追光系统；柔性电池板；光反射；
一、研究背景
太阳能作为一种零污染，储量大，空间限制小的清洁能源，是当今科学家开发的新能源之一。
然而，密度低、分散性大、不稳定性大以及空间分布不断变化的缺点，使得太阳能的利用率较低。
受日昼、天气、季节和地理位置等相关因素的影响，太阳能稳定性存在缺陷，甚至不得不为其配置其他辅助能源以确保设备的正常运转，因此如何提高太阳能的利用效率便成为国内外研究的热点。
目前，世界太阳能光伏发电产业还处于初级阶段，为提高太阳能光伏发电效率，需要做好以下工作：
首先，继续研制太阳能电池新材料，提高电池的光电转化效率；其次，研究太阳能光伏电池最大功率跟踪，实现太阳光最大功率跟踪；再次，研究太阳能光伏电池阵列的优化组合算法，实现太阳能光伏电池阵列的优化组合。
可见研究如何提高太阳能的利用效率具有很大的意义——既可以减少污染，又可以降低成本。
利用这种新能源实现光——电转换，在当今推崇低碳环保的社会背景之下有着良好的前景。
我国于1958年开始研究太阳能，20世纪80年代以后得到迅速发展。
目前，国内的光电应用主要集中在通信领域，市场占有率约50%。
独立光伏电站和户用光伏电源系统市场占有率约30%。
光伏发电虽然应用范围遍及各行各业，但影响最大的应是建材与建筑领域，即将太阳能电池制成屋面和墙体。
时至今日，太阳能已经广泛运用于军事、科技、生产和人民生活的各个领域，成为继煤、石油、天然气、水等，人们广泛运用的能源之一。
其中提高太阳能光电转换功率，首先需要提高对光的吸收的量，而这个量又直接受到接收太阳光线的电池板的有效面积、日照的时间以及电池板自身的性质相关。
假设：
太阳能电池板的光电利用率为常数α（单位：
W/（m^2*S））；电池板的有效面积为S；日照时间为T；转换功率为P；则：
P=α*S*T
其中：
有效面积又受到电池板的实际面积和太阳光及其角度有关，实现对太阳的精确跟踪是提高电池板接受光线的有效面积的途径之一。
光照时间可以利用灯光来实现延长。
电池板的自身性质与其种类有关，通过对比实验可以筛选出利用率较高的太阳能电池板。
目前，国内的民用太阳能装置绝大部分采用固定式安装，很少一部分为太阳跟踪装置。
采用固定式安装的产品太阳能的采集及利用率较低，尤其在早晨和傍晚，太阳能的利用率几乎为0，长远投资成本大，性价比较低。
而采用光学传感器技术的产品虽然可以实现太阳能装臵姿态的调整，而太阳跟踪的方式主要有光电式和机械式。
机械式为主动跟踪，其原理是通过程序计算出太阳位置，控制步进电机来跟踪太阳，而光电式为被动跟踪。
目前国内大多数采用机械式进行跟踪，且由于无法检测，使得累计误差逐渐增大，部分需要手动干预，是追光的效果降低。
而光电式，又通常以单片机或计算器为主，通过内置芯片的预设程序，实现对太阳的跟踪；但是装置一般在室外，长期暴露在阳光下，设备易于损坏，维护成本和生产成本均较高，在太阳能广泛运用于各个领域的今天，这类装置的广泛推广受到了一定的制约。
与本作品类似原理的追光设备大多安装在卫星、航天飞机等军工级设备上。
国外的追光技术比较成熟，如奥运会沙滩排球场使用的西班牙一家公司的技术生产的追光装臵，但成本很高且对国内实行技术垄断。
太阳能电池聚光系统主要有三种，分别是线性聚光，碟式聚光，塔式聚光。
它主要用于工业，利用率高，采用反射镜把太阳光反射并聚集到接收器，把聚集的太阳能转换为热能，利用这种热能生产的热蒸汽，推动涡轮发动机，从而驱动发电机发电，满足电力需求。
聚光光伏发电组件由于结构尺寸较大和需要对日跟踪，通常是用在有一定场地和空间的场合，市场主要定位在乡村、台站和户用的中型离网光伏电站及大型并网发电中心电站。
由于太阳能电池板的形状是平板，它们仍然需要结合追光装置。
据不完全统计，目前，市场上有近5000家移动电源生产商。
由于进入移动电源市场的门槛相应较低，而预期的市场状况又非常看好，因此，移动电源刚刚蓬勃兴起，就随即进入了其他行业要几年才进入的激烈竞争时期。
市场上现有的太阳能移动电源，有一部分使用灵活的柔性单片集成电路pv薄膜太阳能面板，将太阳能蓄电池中，也可以直接将太阳能转化的电能传输给电子设备。
在光线不好的条件下，也能将能源捕获效率最大化，可弯曲、防水等优点，相比其他太阳能产品，更加灵活轻便。
其中，美国，荷兰，法国，葡萄牙，日本的科学家研发出了不同类型的柔性电池板。
而深入研究适合特定环境下的柔性太阳能电池板趋光，再应用于移动电源等其他设备上，还是一个相对空白的领域。
因此，本课题针对提高太阳能电池的光电利用率，提出了平板跟踪与球体聚光两种方案，前者是通过压差原理控制太阳跟踪装置，提高了灵敏度，后者是柔性太阳能电池板的特定形状，结合反射光线，无需追光装置，应用于移动电源，缩短充电时间，拓宽使用范围，且不需人工干预或后期电能供给；具有巧妙新颖，原理简单、成本低廉、维护方便的特点，适合推广。
通过多种途径，节能环保，应用面宽，适合推广。
二、研究目的
由于地球的自转，一年春夏秋冬四季、每天日升日落，太阳的光照角度与光线强度时时刻刻都在变化，如果让球体柔性太阳能电池板结合反射镜，或者电池板矩阵跟踪太阳，那么太阳能移动电源白天接收太阳能的效率将会达到最佳状态。
在夜晚，太阳能发电的LED灯管启动，保证装置继续工作。
在室内，甚至条件恶劣的室外都适合使用。
太阳能移动电源有节能环保，经济实惠，适用范围广的优点。
课题从尽可能充分利用太阳能的角度出发，试图从提高太阳能光电转换的功率的角度切入，改良的设想，通过多次实验与研究，从而达到提高太阳能移动电源的光电利用率，节约能源，扩展其适用时间与地点的目的。
三、研究方案与实验原理
3.1研究方案
图1.初始的研究方案框图
平板跟踪式的方案是在一块平板两端分别安装一个光电三极管，三者输入比较器用于检测两侧光照强度的不同（如图2）。
将获得的误差信号输入自动控制电路，电路根据电压差信息自动向马达发出相应指令，使马达转动，从而使带有两块电池板的模型调整位置，直到两块电池板均能正对太阳光，使误差信号基本为零——光电三极管A,B接收的光照强度基本相同，输出的电压基本相同，输入比较器的电压差基本为零。
两块太阳能电池板可以将太阳能转化为电能，维持装置运转。
在采光部分增加菲涅尔透镜，增大光线强度，放大微小差异，从物理学角度，使装置能够更灵敏地感测光的细微变化,
球体聚光方案：
球体聚光式的方案是将太阳能电池薄膜设计为球体，结合反射镜，在理论上定性定量分析，球体电池的光能吸收率以及吸收光能的角度范围，分两种情况讨论：
1.空间有限情况下，计算出人工制造反光镜的形状；2.在冰面，雪地上直接利用地面的反射光，得出是否可行。
太阳能移动电源：
直接改装原有的成品移动电源，增加LED照明系统，可以在光线昏暗时使用。
3.2追光装置及关键技术
自动控制电路原理：
自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置（称控制装置或控制器），使被控对象的某个工作状态或参数（即被控制量）自动地按照预定的规律运行，其中被控对象的输出量即被控量是要求严格加以控制的物理量，它可以要求保持为某一恒定值。
考虑到光线跟踪传感器部分，直接通过太阳能电池板输出的电压实现压差控制的灵敏度比较低，经过思考，改为通过光电三极管输出的电压实现压差控制装置转动。
图2.运行电路图
3.2.1拟解决的关键问题一：
使用两块太阳能电池板的输出电压比较后做为光强变化的误差信号，存在成本较高和光强灵敏度不高的问题。
解决方案：
经过讨论，决定将电池板换成光电三极管，这样能提高装置的灵敏度，减小追光失误的可能性。
当太阳光正对两个光电三极管时，它们受到的太阳光亮度相同，输出的电压为电源电压的一半，即此时处于平衡状态。
当太阳位置改变时，两个三极管受到的太阳光亮度不同，导致电路中分压器输出的的电压发生改变，平衡被打破。
分压器将信号输送给信号处理器，经信号处理电路输出两个相反的信号，然后反馈控制电动机驱动电路。
太阳能电池板的输出可以给其他小型电器充电和做为电动机的驱动电源。
3.2.2拟解决的关键问题二：
分压器输出的信号转换极性，是马达转动，带动电路转动，又导致输入电平反向变化，于是输出信号又转换极性，使电动机反向转动，最终使马达不停正向反向转动。
图3.施密特反相器原理图4.施密特反相器实物
解决方案：
电路中增加施密特触发反相器。
施密特反相器根据分压器的输入信号的高低来决定输出低电平还是高电平。
门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。
施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。
正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压。
利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，输入的信号只要幅度大于Vt+，即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。
当输入电压由低向高增加，到达V+时，输出电压发生突变，而输入电压Vi由高变低，到达V-，输出电压发生突变，因而出现输出电压变化滞后的现象，可以看出对于要求一定延迟启动的电路，它是特别适用的.
3.2.3拟解决的关键问题三：
由于二极管的存在现在信号处理电路的两个输入电压之间始终存在一定的电压差，这样使二极管恒定的“正向压降”在两个反相器的转换状态之间提供了一个电动机无法转动的区域，防止马达重复正向反向转动，发生紊乱。
解决方案：
使用一支晶体二极管，目的是信号处理电路的输出端A和B的状态就会有相同的时候，这是由于Ｈ桥电动机驱动电路的两个控制端的电平相同,电动机就会停止转动.面朝光源。
这里的连接方式为正向偏置，即在电路中，如果将晶体二极管的正级接在高电位端，负级接在低电位端，二极管就可能导通。
晶体二极管导通后，他两端的电压基本上保持不变。
这样可以得到恒定电压。
将一支普通的开关二极管正向接入光电元器件回路，再将信号处理电路的输入电压从二极管的两端分别引出。
3.2.4驱动马达的H-桥电路
使用“H-桥”电路驱动马达。
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。
要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。
根据不同三极管对的导通情况，
电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机转向。
（a）（b）
图5.（a）H桥电路驱动电机顺时针转动；（b）H桥电路驱动电机逆时针转动；
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。
例如，如图3.2所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极。
按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
3.3太阳能电池板
图6.柔性太阳能电池板（实物）
解决方案：
因此，用柔性太阳能电池板，直接将太阳能转化为电能，维持装置运转。
太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。
装置时刻调整，使电池板不仅能够正对光源，也会使电池板的利用率提高。
3.3.1柔性太阳能电池
拟解决的关键问题：
自动追光装置的供电，若外接电源，会局限装置的适用范围，即使使用普通电池，定期更换可能对装置跟踪太阳光的效果造成影响。
普通电池板厚重，受形态的局限，有无防水功能，在户外不便使用。
球体电池接受太阳光的角度范围大，较少依赖于入射光的角度，从各个方向捕捉光线,能更有效，比传统的平板太阳能电池扩展了吸收角度。
它适用于两种情况，一是空间受限，在球的背光面装反射镜，二是自然环境的地面反射光强烈，直接吸收雪地，冰面的反射光，无需人工反射镜。
在能源产量方面更有效率。
3.3.2反射镜
拟解决的关键问题：
球体太阳能电池只能有半个球面接受直射的太阳光，余下的半个球面需要通过其他途径接受太阳光。
解决方案：
通过理论计算，确定在空间受限情况下，人造反光镜的形状，以及在直接吸收地面强烈的反射光线的情况下，估计损耗之后太阳能电池板的光电利用率。
3.4LED照明系统
拟解决关键问题六：
夜晚或雨天无太阳光，装置无法正常工作。
图7.LED照明系统工作示意图
太阳能电池板在白天将直射到它上面的阳光转化为电能，存储到镍氢充电电池中,到了晚上，自动控制模块就会将电池中的电能释放出来，点亮小灯。
内部有光控感应元件，将根据环境亮度，自动关闭或开启灯光。
在白天或有照明的环境，它就关闭电源；夜晚或黑暗的环境，它就自动开启电源。
3.5移动电源
拟解决关键问题：
光能转化为电能后，需要储存电能，并为电子设备充电。
解决方案：
直接利用移动电源成品，将电路与太阳能电池板焊接，直接进行使用。
图8.移动电源工作原理
四、具体研究方案
4.1实验所需材料
表1.实验材料表
名称
型号
数量
备注
光电接收管
PT5208
2
\
电阻器
510Ω
4
\
电容器
0.1μf
2
\
晶体三极管
8050
2
\
晶体三极管
8550
2
\
开关
单刀
单掷
1
拨动式
柔性太阳能电池板
6cm*20cm
2
电动马达
小型
1
有减速齿轮
万能电路板
25mm*30mm
1
\
导线
\
若干
\
发光二极管
\
1
\
其他
\
少量
胶水等
移动电源电路
\
1
\
太阳能电池板
8cm*8cm
2
图9.实验材料图
4.2实物制作
4.2.1光线跟踪传感器
光线跟踪传感器电路部分装在通用印制电路板上，焊接电路板元器件按照从小到大，从低到高的顺序，防止影响安装和焊接。
图10.自动追光系统电路部分实物图
制作电路的步骤
（1）安装晶体二极管。
这是开关二极管，型号1N4148。
注意点为二极管两端的正负极，负极端有一圈标记带，另一端为正极。
安装后，在电路板背面将它们焊接，并用钳子减去多余的引脚。
（2）安装电阻器。
四个电阻器阻值均为510Ω，是H-桥电动机驱动的四个晶体管的电阻器。
由于电阻是无极性的元件，引脚可以交换位置。
（3）安装并焊接两只电容器。
作用是为了消除马达运转时产生电火花影响电路工作。
选取的这种电容器无极性。
安装时只需注意把标有容量的那面朝容易读取的方向。
（4）安装并焊接集成电路插座。
选取使用最方便的双列直插式封装的集成电路。
集成电路插座一端的缺口应该与插座上的缺口方向一致。
（5）接下来安装并且焊接晶体三极管。
注意点：
安装方向相同。
其中，两个型号为8050的三极管安装在中间，型号为8550的三极管安装在两旁。
（6）根据设计好的电路，用铜导线把焊点连接，形成电路。
注意连接时既不能漏焊，也不能错焊，把不该连接的焊点相连。
（7）再将集成电路插入插座内。
注意点是需要调整引脚之间的距离，与插孔的距离匹配。
插入时用力均匀，防止引脚弄弯。
4.2.2球体聚光
（1）计算球体太阳能电池板的吸收率，以及可吸收光线的角度范围。
（2）制作球体模型，用多块太阳能电池板拼接，形成类球体。
（3）从成品移动电源中取出电路，将太阳能电池板焊接好。
注意正负极。
4.2.3技术路线
图12.技术路线图
4.3平板追光式光电利用率的量化分析
图13.装置整体实物图
4.3.1工作原理。
针对已经初步完成的追光装置，其工作过程分析如下：
如图3.2，假设光源向左边移动，位于左边的光电管PT1光照强度增加，A点电压上升，而位于右边的光电管受光的照射也减弱，B点电压上升。
当A、B点电压均上升到门槛电压时，施密特反相器IC-4至IC-6才翻转输出低电平，电机控制电路输入端的电平一高一低，所以驱动马达转动，带动三极管向左转，朝向光源。
由于光电管向光源转动，左边光电管PT1受光将减少，而右边光电管PT2受光照增加，A,B输出电压逐渐减小。
B点电压达到VT-时，由于二极管的作用，A点电压尚未达到VT-，所以此时施密特反相器的IC-1~IC-3，IC4~IC-6均为高电平，电机停止转动，锁定光源。
向右转动则同理。
4.3.2计算
根据工作原理，在简单电路驱动太阳能电池板平转的前提。
考虑光线在一天各时段的位置不同，而太阳能电池板位置相对固定。
假设任意光线PC与X轴的夹角为θ，0≤θ≤180。
θ为变量。
（1）当PC与X轴的夹角为θ≤90时
太阳能电池板AB与X轴的夹角为α。
Α一旦固定后可认为为常量。
即角PCF=θ，角BAO=α,角ECF=90-α.
太阳能电池板与太阳光垂直的映射面积为EH.
当光线PC在EC下方，即0≤θ≤90-α，角ACH=90-α-θ；假设太阳板的面积为S,则太阳直射面积GH=
，要计算θ变化时太阳电池板累计接触面积可采用积分方法：
累计面积1=
当光线PC在EC上方，即α≤θ≤90 ，角ACH=α+θ-90；计算原理一样
累计面积2=
累计总面积=累计面积1+累计面积2=
（2）当PC与X轴的夹角为θ>90度时，计算方法与
（1）相同；根据对称的原理，面积也是一致。
（3）太阳累计直射面积=
。
即当α=45度，太阳直射面积最大为
；
单位时间平均照射面积为
4.3.3.后续需解决的问题
（1）目前未考虑驱动太阳能装置需耗费的电能。
理论上应与太阳能电池板的重量和移动的距离相关，在单个马达，一维移动的情况下，应该仅为太阳能电池板整体180度旋转所耗费的能量，但是实验表明，由于影响光的强弱的因素是多方面的，加之电压差的敏感度的问题，实际移动比较频繁，能源耗费较多。
（2）目前的计算未考虑季节因素，太阳与地球维度的关系实际是在变化的，一年之内是在南北回归线之间移动，每天虽然变化不太，但全年累积下来太阳的高度角实际是有47度左右的变化的（上海纬度31度，则夏至时太阳高度角=90度-31度-23.5度；冬至时则==90度-31度+23.5度；两者差为47度），也将延长理论的追光路径和长度。
后续拟通过细化电路，不仅平转而且可以纵向移动。
上述两个问题，将在后续结合理论计算和实验观测数据进一步计算和研究。
4.4球体聚光式太阳能电池的光电效率的量化分析
4.4.1球形太阳能电池板的工作原理
球形电池板具有太阳光接触表面积大的优点，且无论太阳照射角度如何，均可直接照射球体表面积的一半，且可通过选择反射介质进行最大化利用太阳能。
假设太阳光可直接照射范围为左上半球AMB，可反射范围为右下半球ANB。
其中光线AC和光线BD为球的平行切线。
结论1：
AOB为球的直径。
推导方法：
采用假设反证法，推导过程如下：
假设AB不是球的直径，圆AOB是球的横切面，O是圆心。
即OA与AC垂直，OB与BD垂直。
即角BAC大于90度，角ABD大于90度，与AC和BD平行矛盾。
则AOB为球的直径。
结论2：
任意角度的太阳光直接照射球体表面的一半，假设球体半径为R，则直接照射到球体表面积
；反射光与直射光方向相反，间接反射到球体表面积
。
结论3：
太阳光直射的有效面积为太阳能电池板可吸收的部分表面积=圆AOB的面积=
，为太阳光照射面积的一半，即太阳直射有效比率为50%。
结论4：
球形太阳能电池板无需使用追光装置，即可实现任意角度的最大化利用光能。
相当于一个实时与太阳光直射平面太阳能电池板。
4.4.2太阳能电池板的利用效率
太阳能直射面AMB为球形电池板的一半，太阳能吸收率为100%；太阳能反射面ANB也为球形电池板的一半。
太阳能吸收率取决于反射面的折射率，由反射面的材料特性决定，假设反射面的反射率为
，则反射光直射有效比例为
*50%。
太阳能直射有效面积为即（1+
）*50%*S：
太阳能电池板总的太阳能吸收率=（1+
）*50%；
考虑到太阳的直射比率为50%，即太阳能利用效率=（1+
）*50%。
（1）若选择以镜面作为反射介质，反射率在85～90%左右，镀银玻璃可达到95%，新型纳米镜子可达到99.9%，此时的太阳能电池板的利用率接近100%。
（2）若选择雪作为反射介质，雪的反射率在80～90%左右，即此时太阳能电池板的利用效率=90%～95%。
（3）若选择冰作为反射介质，冰的反射率在60～70%左右，即此时太阳能电池板的利用效率=80%～85%。
4.4.3后续需深化研究的问题
（1）考虑到通过光反射过程较复杂，同时存在光直射和反射两种情况。
此外，可能存在部分球面即重复接收太阳光直射和反射光，及重叠后可接受的效率问题。
（2）由于反射装置和球体距离的原因，以及反射装置本身面积的原因，导致部分角度（如太阳直射时）存在由于阴影导致无反射光的情况，需要深化计算和剔减，也可通过将平面反射镜改为抛物面镜解决该问题。
上述问题后续需深化计算和考虑。
五．研究结果和结论
根据上述分析和计算，在同等日照条件下，
1.对于平板式追光装置，不考虑驱动本身的能耗，以及由于季节变化，太阳高度角变化导致驱动的路径增长；
2.对于球体聚光装置，不考虑反射后重叠、以及由于反射镜与球体的距离及反射镜面积导致的不同程度的阴影问题。
平板电池板利用率
球形电池板利用率
平板电池板放置角度（与地平线夹角）
反射介质
0度
30度
45度
60度
90度
无任何反射介质
冰雪做为反射介质
采用镜面作为反射介质
64%
87%
90%
87%
64%
50%
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