陳惠遠

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

【關鍵詞】太陽能 仿生學 自動追光系統(tǒng) 球形電池板 光折射加反射

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

1研究背景

1.1研究目標

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

太陽能電池板是主要工作原理是光電效應。即當光子照射到金屬表面時，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能，從而形成電流。設光子頻率為γ，普朗克常量為h，電子逸出功為W（由材料性質決定），則電子最大動能K max表達式為：

K max = hγ-W

而在實際應用中，要提高太陽能光電轉換功率，首先需要提高單位面積太陽能電池板對光的吸收的量，而這個量又直接受到接收太陽光線的電池板的有效面積、日照的時間以及電池板自身的性質相關。因此我們總結為如下公式：

η（E g） = F（Eg， Ny， ψγ， Vapp， I0）

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

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

1.2現(xiàn)狀調研

1.2.1電池板形狀。

*目前最常見的電池板的平板式、硬性電池板。

*2012年日本人發(fā)明了小顆粒構成的半球體太陽能電池，并申請專利。

1.2.2追光裝置

在平板式的基礎上，增加太陽光追蹤裝置，一般采取單片機和簡單電壓差原理的PID電路方式。

1.2.3 新材料

2010年陸續(xù)出現(xiàn)各類柔性太陽能電池板的運用（造價較高、輕、??；可適當彎曲）；

2013年6月蘇大學生發(fā)明柔性聚合物太陽能電池板，可隨意彎折；

2014年5月澳大利亞人實現(xiàn)通過3D技術打印的太陽能電池。

1.2.4反射裝置

對平板電池使用平面或拋物面鏡反射。

2012年德國人，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，在閉合的開孔球體內(nèi)面采光，并多次反射聚光，充分利用太陽能（可用總量?。?/p>

2研究方案與原理

2.1 研究思路

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

2.2 技術路線（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能電池利用效率的基礎上，由平板電池受的太陽光的跟蹤裝置驅動，需要耗費相當?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，從幾何學的角度考慮，可以將平板二維轉動發(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間，還是一年四季的太陽高度角的變化，都可以避免受到入射光的角度的影響，而且也不會因為轉動太陽能電池而耗費額外的能量，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合的球體聚光裝置

擬解決的關鍵問題：球體正面直射太陽光時，不能保證處處都垂直入射，陽光的利用效率底下，另外球體太陽能電池只能有半個球面接受直射的太陽光，余下的半個球面需要通過其他途徑接受太陽光。

解決方案：受到天文望遠鏡通過多重反射加折射可提高光強并優(yōu)化角度的啟發(fā)，通過理論計算，確定在空間受限情況下，使用凸透鏡的折射作用，保證陽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，我們應該盡量使光路沿球體的法線方向射入。

由計算，太陽能直射面AMB為球形電池板的一半，太陽能吸收率為100%；太陽能反射面ANB也為球形電池板的一半。太陽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，假設反射面的反射率為，則反射光直射有效比例為*50%。太陽能直射有效面積為即（1+）*50%*S；太陽能電池板總的太陽能吸收率=（1+）*50%；考慮到太陽的直射比率為50%，即太陽能利用效率=（1+）*50%。若法向量入射，則太陽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+）*50%。

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

（3）結合以上兩點的研究，初步設計出了同時集成折射和反射的球形太陽能聚光電池，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合。

在折射加反射的聚光裝置上，增加對太陽光的跟蹤裝置，簡稱追光裝置，可以通過調整聚光裝置和太陽光線的角度關系，進一步提高太陽能電池的利用率。具體方案是在一塊平板兩端分別安裝一個光電三極管，三者輸入比較器用于檢測兩側光照強度的不同（如圖2）。將獲得的誤差信號輸入自動控制電路，電路根據(jù)電壓差信息自動向馬達發(fā)出相應指令，使馬達轉動，從而調整位置，使誤差信號基本為零——光電三極管A，B接收的光照強度基本相同，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能轉化。

3方案計算和實現(xiàn)。

3.1平板與球體對比計算（圖3）

（1）平板太陽能電池板。

假設AB面積為S，假設AB與地平線夾角為α。

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

情形2：太陽光與太陽板垂直，太陽光在太陽板AB垂直照射面積就是S；

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

假設=60度，則情形1、2和3的采光面積比為：1：0.5

（2）一維追光。

考慮圍繞Y軸的一維追光：

*全天太陽累計直射面積=。

*即當α=45度，太陽直射面積最大為；

則全天單位時間平均照射面積為

（3）球形太陽能電池板。球形電池板具有太陽光接觸表面積大的優(yōu)點，且無論太陽照射角度如何，均可直接照射球體表面積的一半，且可通過選擇反射介質進行最大化利用太陽能。假設太陽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。？

圖4 球形電池光線利用率計算圖

步驟1：任意角度的太陽光直接照射球體表面的一半，假設球體半徑為R，則直接照射到球體表面積；如假設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。

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

結論：球形太陽能電池板無需使用追光裝置，即相當于一個實時與太陽光直射平面太陽能電池板，實際利用率較高且穩(wěn)定。

（4）球體電池加平面反射。球體太陽能直射面AMB為球形電池板的一半，太陽能吸收率為100%；太陽能反射面ANB也為球形電池板的一半。太陽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，假設反射面的反射率為，則反射光直射有效比例為*50%。

太陽能直射有效面積即為：（1+）*50%*S

太陽能電池板總的太陽能吸收率=（1+）*50%；

考慮到太陽的直射比率為50%，即太陽能利用效率=（1+）*50%。

情形1：若選擇無色玻璃作為反射介質，普通無色玻璃的可見光反射率在8～10%左右，即此時太陽能電池板的利用效率=54%～55%。

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

情形3：若選擇冰作為反射介質，冰的反射率在60～70%左右，即此時太陽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，反射率在85～90%左右，鍍銀玻璃可達到95%，新型納米鏡子可達到99.9%，此時的太陽能電池板的利用率接近100%。

結論：根據(jù)上述分析和計算，在同等日照條件下，假設對于平板式追光裝置，假設不存在驅動電池板所需的能耗，且不考慮由于時間和季節(jié)變化，太陽高度和角度變化導致驅動的路徑增長，能耗增加；假設對于球體聚光裝置，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致的不同程度的陰影問題，則同樣面積的柔性太陽能電池板，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計算。

（1）凸透鏡的焦距計算（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。當光垂直于平面入射到透鏡圓弧上的點A時，假設其到光軸的距離為h，那么入射角α可由反三角函數(shù)求得：

（1）

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

（2）

那么，折射光線AF與光軸的夾角 ，

則OF可由FB-OB得到，也即：

（3）

所以，焦點F到平面的距離最終可求得：

（4）

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）拋物面反射鏡焦點計算。球形太陽能電池半徑為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處，那么根據(jù)拋物線曲線的基本形式：

（1）

建立如圖5所示坐標軸，則20cm對應的縱軸y應當恰好等于焦距p，所以，式（1）可以寫成：

（2）

只需知道x值便可求出焦點所在位置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)，同一天的不同時間下，太陽的入射角度都會不同。因此為了保證裝置始終維持向陽面以追求太陽能利用率的最大化，我們增加了追光裝置，使得凸透鏡與凹面反射鏡的焦平面與陽光入射角度保證垂直。

自動控制電路原理：自動控制原理是指在沒有人直接參與的情況下，利用外加的設備或裝置（稱控制裝置或控制器），使被控對象的某個工作狀態(tài)或參數(shù)（即被控制量）自動地按照預定的規(guī)律運行，其中被控對象的輸出量即被控量是要求嚴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，直接通過太陽能電池板輸出的電壓實現(xiàn)壓差控制的靈敏度比較低，經(jīng)過思考，改為通過光電三極管輸出的電壓實現(xiàn)壓差控制裝置轉動。

（1）關鍵技術一：使用兩塊太陽能電池板的輸出電壓比較后做為光強變化的誤差信號，存在成本較高和光強靈敏度不高的問題。

解決方案：經(jīng)過討論，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。當太陽光正對兩個光電三極管時，它們受到的太陽光亮度相同，輸出的電壓為電源電壓的一半，即此時處于平衡狀態(tài)。當太陽位置改變時，兩個三極管受到的太陽光亮度不同，導致電路中分壓器輸出的的電壓發(fā)生改變，平衡被打破。分壓器將信號輸送給信號處理器，經(jīng)信號處理電路輸出兩個相反的信號，然后反饋控制電動機驅動電路。太陽能電池板的輸出可以給其他小型電器充電和做為電動機的驅動電源。

（2）關鍵技術二：分壓器輸出的信號轉換極性，是馬達轉動，帶動電路轉動，又導致輸入電平反向變化，于是輸出信號又轉換極性，使電動機反向轉動，最終使馬達不停正向反向轉動，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)分壓器的輸入信號的高低來決定輸出低電平還是高電平。門電路有一個閾值電壓，當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)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負向閾值電壓。正向閾值電壓與負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)轉換過程中的正反饋作用，輸入的信號只要幅度大于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。當輸入電壓由低向高增加，到達V+時，輸出電壓發(fā)生突變，而輸入電壓Vi由高變低，到達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，可以看出對于要求一定延遲啟動的電路，適用性大為提高。

（3）關鍵技術三：由于二極管的存在現(xiàn)在信號處理電路的兩個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”在兩個反相器的轉換狀態(tài)之間提供了一個電動機無法轉動的區(qū)域，防止馬達重復正向反向轉動，可能發(fā)生紊亂。

解決方案：使用一支晶體二極管，目的是信號處理電路的輸出端A和B的狀態(tài)就會有相同的時候，這是由于H橋電動機驅動電路的兩個控制端的電平相同，電動機就會停止轉動.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接在高電位端，負級接在低電位端，二極管就可能導通。晶體二極管導通后，他兩端的電壓基本上保持不變。這樣可以得到恒定電壓。將一支普通的開關二極管正向接入光電元器件回路，再將信號處理電路的輸入電壓從二極管的兩端分別引出。

（4）關鍵技術四：使用“H-橋”電路驅動馬達。H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機轉向。

要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。如圖8 所示，當Q1管和Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅動電機順時針轉動。

當三極管Q1和Q4導通時，電流將從左至右流過電機，從而驅動電機按特定方向轉動（電機周圍的箭頭指示為順時針方向）。當三極管Q2和Q3導通時，電流將從右至左流過電機，從而驅動電機沿另一方向轉動（電機周圍的箭頭表示為逆時針方向）。

3.4計算結論

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

4創(chuàng)新點

（1）本課題選擇壓差原理控制太陽跟蹤裝置，不是簡單的平板轉動，一方面相對機械式，提高了精度，且不需人工干預；另一方面相對單片機，具有效原理簡單、成本低廉、維護方便的特點，適合推廣。

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

（3）在外球面設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。無需使用追光裝置是本方案的一個亮點，提高了裝置的光利用效率。

（4）在應用范圍的推廣方面，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)中運用，例如紅綠燈上方的圓弧狀擋板，公交車站遮陽板，隧道出口處；以及部分房屋的陽臺的雨棚頂安裝柔性太陽能供電裝置。

5需解決的問題和后續(xù)改進方向

5.1球形聚光

（1）考慮到通過光的折射反射過程較復雜，同時存在光直射和反射兩種情況，還可能存在部分球面即重復接收太陽光直射和反射光，及重疊后可接受的效率問題。

（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，導致部分角度（如太陽直射時）存在由于陰影導致無反射光的情況，需要深化計算和剔減。

5.2 追光裝置

（1）目前未考慮驅動太陽能裝置需耗費的電能。理論上應與太陽能電池板的重量和移動的距離相關，在單個馬達，一維移動的情況下，應該僅為太陽能電池板整體180度旋轉所耗費的能量，但是實驗表明，由于影響光的強弱的因素是多方面的，加之電壓差的敏感度的問題，實際移動比較頻繁，能源耗費較多。

（2）目前的計算未考慮季節(jié)因素，太陽與地球維度的關系實際是在變化的，一年之內(nèi)是在南北回歸線之間移動，每天雖然變化不太，但全年累積下來太陽的高度角實際是有47度左右的變化的（上海緯度31度，則夏至時太陽高度角=90度-31度-23.5度；冬至時則==90度-31度+23.5度；兩者差為47度），也將延長理論的追光路徑和長度。后續(xù)擬通過細化電路，不僅平轉而且可以縱向移動。

上述兩個問題，將在后續(xù)結合理論計算和實驗觀測數(shù)據(jù)進一步計算和研究。

5.3改進方向

（1）球體變形，自適應，體表比最大。

（2）吸收更為有效的紫外光線。

6下一步研究計劃

計劃2014.11.10-2014.11.23 完成方案的裝置與理論計算（并通過實驗測試追光裝置的運轉情況，記錄追光全過程，將通過不追光太陽能裝置與追光裝置長期的對照，估算追光裝置提高的效率）。2014.11.24-2014.12.30 改進原方案，可能結合應用。根據(jù)第八階段的測試情況與結果，對裝置進行細微調整后，選擇合適的電子設備，連接到裝置，探索假設的應用的可行性。

參考文獻：

[1] R.B.Feynman R.B.Leighton M.Sands 費恩曼物理學講義 第1卷.

[2] 倪斌.用一種簡易模擬電路實現(xiàn)儀表 PID控制[J].引進與咨詢，2000 （2）.

[3] Tim Wascott 容易理解的PID.

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

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

[6] 張欣宏等.以FPGA實現(xiàn)智能型太陽能追蹤控制系統(tǒng).嵌入式處理器設計大賽，2007.

[7] 胡國強.基于AT89C51單片機的太陽能電池板轉向控制系統(tǒng)的研究與設計.科技向導，2012（9）.