太阳能追踪器

太阳能追踪器是一种将有效载荷定向到太阳的装置。 有效载荷通常是太阳能电池板,抛物槽,菲涅耳反射器,透镜或定日镜的镜子。

对于平板光伏系统,跟踪器用于最小化入射太阳光和光伏板之间的入射角。 在聚光光伏(CPV)和聚光太阳能(CSP)应用中,跟踪器用于启用CPV和CSP系统中的光学组件。 聚光太阳能应用中的光学器件接受阳光的直接分量,因此必须适当地定向以收集能量。 跟踪系统存在于所有聚光器应用中,因为当光轴与入射的太阳辐射对准时,这种系统以最大效率收集太阳能。

基本概念
阳光有两个组成部分,即带有大约90%太阳能的“直射光束”,以及带有剩余部分的“漫射阳光” – 漫射部分是晴天的蓝天,并且是更大比例的阴天总数。 由于大部分能量都在直射光束中,因此最大化收集需要尽可能长时间地让面板看到太阳。 但请注意,在阴天较多的地区,直接光与漫射光的比例可低至60%:40%甚至更低。

由直射光束贡献的能量随着入射光和面板之间的角度的余弦而下降。 另外,对于高达约50°的入射角,反射率(所有偏振的平均值)近似恒定,超过该反射率,反射率迅速降低。

由于未对准(角度i)导致的直接功率损失(%),其中Lost = 1 – cos(i)

一世 丢失 一世 小时 丢失
0% 15° 1 3.4%
0.015% 30° 2 13.4%
0.14% 45° 3 30%
1% 60° 4 > 50%的
23.4° 8.3% 75° > 75%的

例如,具有±5°精度的跟踪器可以提供超过99.6%的直接光束传递的能量加上100%的漫射光。 因此,高精度跟踪通常不用于非聚光PV应用。

跟踪机制的目的是跟踪太阳在天空中移动时的情况。 在下面的部分中,每个主要因素都有更详细的描述,太阳的复杂路径通过考虑其每日东西向运动与其年度南北变化与一年中的季节分开来简化。

太阳能截获
可用于从直射光束收集的太阳能量是面板截获的光量。 这由面板的面积乘以直射光束的入射角的余弦给出(见上图)。 换句话说,拦截的能量相当于面板投射到垂直于直射光束的表面上的阴影区域。

这种余弦关系与兰伯特余弦定律在1760年形式化的观察密切相关。 这描述了观察到的物体的亮度与照射它的光的入射角的余弦成比例。

反光损失
并非所有截获的光都传输到面板中 – 在其表面反射一点点。 反射量受到表面材料的折射率和入射光的入射角的影响。 反射量也根据入射光的偏振而不同。 入射的太阳光是所有极化的混合物。 在所有极化上平均,反射损耗近似恒定,直到入射角达到约50°,超过该入射角,其快速降解。 例如,参见左图。

每日东西向的太阳运动
太阳每天从东向西移动360度,但从任何固定位置的角度看,可见部分在平均半天时间内是180度(春季和夏季更多;秋季和冬季更少)。 局部地平线效果会有所减少,使有效运动约150度。 在黎明和日落极端之间的固定方向的太阳能电池板将看到向任一侧75度的运动,因此,根据上表,将在早晨和晚上损失超过75%的能量。 将面板旋转到东部和西部可以帮助重新获得这些损失。 仅试图补偿太阳东西向运动的跟踪器被称为单轴跟踪器。

太阳的季节性南北运动
由于地球轴线的倾斜,太阳在一年内也会向北和向南移动46度。 因此,设置在两个局部极端之间的中点的同一组面板将看到太阳在两侧移动23度。 因此,根据上表,最佳对齐的单轴跟踪器(见下面的极化对齐跟踪器)在夏季和冬季季节性极端情况下仅会损失8.3%,或者在一年内平均损失约5%。 相反,由于太阳路径的这些季节性变化,垂直或水平对齐的单轴跟踪器将损失更多。 例如,位于纬度60°的站点的垂直跟踪器将在夏季损失高达40%的可用能量,而位于纬度25°的水平跟踪器将在冬季损失高达33%。

记录日常和季节运动的跟踪器被称为双轴跟踪器。 一般来说,由于季节角度变化导致的损失因一天的长度变化而变得复杂,在夏季北部或南部纬度的收集增加。 这会使收集偏向夏季,因此如果面板倾斜接近平均夏季角度,则与在春/秋至角度倾斜的系统(与场地的纬度相同)相比,每年的总损失会减少。

业内人士相信,单轴跟踪器和双轴跟踪器之间的年度收集差异是否会使双轴跟踪器的复杂性增加。 最近对安大略省南部实际生产统计数据的回顾表明,差异总量约为4%,远低于双轴系统的附加成本。这与固定阵列和单轴跟踪器之间24-32%的改进相比是不利的。

其他因素


上述模型假设在一天或一年的不同时间有云覆盖的统一可能性。 在不同的气候区域,云层覆盖可能随季节而变化,影响上述平均性能数据。 或者,例如在白天平均积云的区域中,收集早晨的太阳可能会有特别的好处。

大气层
当太阳接近地平线时,太阳光穿过大气层的距离会增加,因为太阳光必须沿对角线穿过大气层。 随着通过大气的路径长度增加,到达收集器的太阳能强度降低。 这个增加的路径长度被称为空气质量(AM)或空气质量系数,其中AM0位于大气的顶部,AM1指的是直到太阳开销的海平面的直接垂直路径,并且AM大于1指太阳接近地平线时的对角线路径。

尽管太阳在清晨或冬季可能不会感觉特别炎热,但是通过大气层的对角线路径对太阳强度的影响却小于预期。 即使太阳仅在地平线以上15°,太阳强度也可以达到其最大值的60%左右,10°时约为50%,而地平线上方仅5°时约为25%。 因此,当太阳接近水平时,跟踪器可以通过收集可用的大量能量来提供益处。

太阳能电池效率
当然,无论是否采用跟踪,光伏电池的基础功率转换效率对最终结果具有主要影响。 与跟踪的好处特别相关的有以下几点:

分子结构
许多研究旨在开发表面材料,以引导最大量的能量进入电池并最大限度地减少反射损失。

温度
光伏太阳能电池效率随着温度的升高而降低,速率约为0.4%/℃。 例如,在白天或夏天炎热的60°C,在清晨或冬天10°C时效率提高20%。 因此,当细胞以最高效率运行时,追踪器可以通过收集早晨和冬季能量来提供额外的益处。

概要
用于集中收集器的跟踪器必须采用高精度跟踪,以便将收集器保持在焦点处。

用于非聚光平板的跟踪器不需要高精度跟踪:

低功率损耗:即使在25°不对中时也会损失10%
反射率一致甚至约50°不对中
漫射阳光贡献10%,与方向无关,在阴天时贡献较大

跟踪非聚光平板收集器的好处来自以下方面:

功率损耗迅速降低超过约30°未对准
即使在太阳非常接近地平线时也可以获得显着的功率,例如,在地平线以上15°处的全功率的约60%,在10°处的约50%,甚至在地平线以上仅5°处的25% – 特别是高纬度和/或冬季的相关性
与白天炎热的天气相比,光伏电池板在清晨的凉爽时效率提高了约20%。 同样在冬季比夏季效率更高 – 并且要有效捕捉清晨和冬季的太阳需要跟踪。

这可能用于产生大量的太阳能执行以下相同的

太阳能集热器的类型
太阳能集热器可能是:

非聚光平板,通常是光伏或热水,
聚光系统,各种类型。

太阳能收集器安装系统可以固定(手动对准)或跟踪。 不同类型的太阳能集热器及其位置(纬度)需要不同类型的跟踪机制。 跟踪系统可配置为:

固定收集器/移动镜 – 即Heliostat
移动收藏家

非跟踪固定安装
住宅和小容量商业或工业屋顶太阳能电池板和太阳能热水器板通常是固定的,通常齐平安装在适当面对的斜屋顶上。 固定坐骑相对于追踪器的优点包括:

机械优势:制造简单,安装和维护成本更低。
风荷载:提供坚固的支架更容易,更便宜; 除了固定的嵌入式安装面板之外的所有安装座都必须仔细设计,考虑到由于更大的暴露而导致的风荷载。
间接光:大约10%的入射太阳辐射是漫射光,可以在与太阳不对准的任何角度下获得。
容差不对准:平板的有效收集区域对太阳的高度不对准相对不敏感 – 参见上面基本概念部分的表格和图表 – 例如,即使25°的不对中也会减少收集的直接太阳能超过10%。
固定支架通常与非聚光系统结合使用,但是在第三世界中特别有价值的一类重要的非跟踪聚光收集器是便携式太阳能炊具。 它们利用相对低的浓度水平,通常为约2至8个太阳并且手动对齐。

跟踪器
即使可以设置固定的平板以收集高比例的可用正午时间能量,但是当固定面板的不对准变得过大以收集合理比例的时候,在清晨和下午晚些时候也可以获得显着的功率。可用能量。 例如,即使太阳仅比地平线高10°,可用能量也可以是正午能量水平的一半左右(甚至更大,取决于纬度,季节和大气条件)。

因此,跟踪系统的主要好处是在一天中最长的时段收集太阳能,并且随着太阳的位置随着季节的变化而最精确地对齐。

另外,所使用的浓度水平越高,精确跟踪变得越重要,因为源自直接辐射的能量的比例越高,并且聚焦能量被聚焦的区域变得越小。
固定收集器/移动镜
许多收集器不能移动,例如高温收集器,其中能量作为热液体或气体(例如蒸汽)被回收。 其他例子包括建筑物的直接加热和照明以及固定的内置太阳能炊具,例如Scheffler反射器。 在这种情况下,必须使用移动镜子,这样无论太阳位于天空的哪个位置,太阳的光线都会被重定向到收集器上。

由于太阳在天空中的复杂运动,以及将太阳光线正确地瞄准目标所需的精确度,定日镜一般采用双轴跟踪系统,至少有一个轴机械化。 在不同的应用中,镜子可以是平的或凹的。

移动收集
可以通过跟踪器轴的数量和方向将跟踪器分组到类中。 与固定安装座相比,单轴跟踪器可将年产量提高约30%,双轴跟踪器可提高10-20%。

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光伏跟踪器可分为两种类型:标准光伏(PV)跟踪器和聚光光伏(CPV)跟踪器。 这些跟踪器类型中的每一种都可以通过其轴的数量和方向,它们的驱动架构和驱动器类型,它们的预期应用,它们的垂直支撑和基础进一步分类。

浮动地面安装
太阳能跟踪器可以使用“浮动”基础建造,该基础位于地面上而无需侵入式混凝土基础。 跟踪器不是将跟踪器放置在混凝土基础上,而是放置在砾石盘上,该砾石盘可以填充各种材料,例如沙子或砾石,以将跟踪器固定到地面。 这些“浮动”跟踪器可以承受与传统固定安装跟踪器相同的风荷载。 浮动跟踪器的使用增加了商业太阳能项目的潜在场地数量,因为它们可以放置在加盖的垃圾填埋场之上或者在挖掘基础不可行的区域。

非聚光光伏(PV)跟踪器
光伏板接受来自天空的直射光和漫射光。 标准光伏跟踪器上的面板聚集可用的直射光和漫射光。 标准光伏跟踪器中的跟踪功能用于最小化入射光和光伏板之间的入射角。 这增加了从入射太阳光的直接分量收集的能量。

标准光伏(PV)跟踪器背后的物理特性适用于所有标准光伏模块技术。 这些包括所有类型的晶体硅面板(单晶硅或多晶硅)和所有类型的薄膜面板(非晶硅,CdTe,CIGS,微晶)。

聚光光伏(CPV)跟踪器
CPV模块中的光学元件接受入射光的直接分量,因此必须适当地定向以最大化所收集的能量。 在低浓度应用中,也可以捕获来自天空的一部分漫射光。 CPV模块中的跟踪功能用于定向光学器件,使得入射光聚焦到光伏收集器。

集中在一个维度上的CPV模块必须在一个轴上垂直跟踪太阳。 集中在两个维度的CPV模块必须在两个轴上垂直跟踪太阳。

准确性要求
CPV光学背后的物理特性要求跟踪精度随着系统浓度比的增加而增加。 然而,对于给定的浓度,非成像光学器件提供尽可能宽的接收角,这可用于降低跟踪精度。

在典型的高浓度系统中,跟踪精度必须在±0.1°范围内,以提供大约90%的额定功率输出。 在低浓度系统中,跟踪精度必须在±2.0°范围内,以提供90%的额定功率输出。 因此,高精度跟踪系统是典型的。

技术支持
浓缩光伏跟踪器与基于折射和反射的聚光器系统一起使用。 在这些系统中使用了一系列新兴的光伏电池技术。 这些范围从传统的晶体硅基光伏接收器到基于锗的三结接收器。

单轴跟踪器
单轴跟踪器具有一个自由度,可用作旋转轴。 单轴跟踪器的旋转轴通常沿着真正的北子午线对齐。 可以使用高级跟踪算法在任何基本方向上对齐它们。 单轴跟踪器有几种常见的实现方式。 这些包括水平单轴跟踪器(HSAT),带倾斜模块的水平单轴跟踪器(HTSAT),垂直单轴跟踪器(VSAT),倾斜单轴跟踪器(TSAT)和极坐标单轴跟踪器(PSAT)。 在建模性能时,模块相对于跟踪器轴的方向很重要。

横向移动

水平单轴跟踪器(HSAT)
水平单轴跟踪器的旋转轴相对于地面是水平的。 水平单轴跟踪器的旋转轴两端的柱可以在跟踪器之间共享,以降低安装成本。 这种类型的太阳能跟踪器最适合低纬度地区。 具有水平单轴跟踪器的现场布局非常灵活。 简单的几何形状意味着保持所有旋转轴彼此平行是将跟踪器相对于彼此适当定位所需的全部。 适当的间距可以最大化能量产生与成本的比率,这取决于当地地形和遮蔽条件以及所产生的能量的时间值。 回溯是计算面板配置的一种方法。 水平跟踪器通常使模块的面平行于旋转轴定向。 当模块跟踪时,它扫过围绕旋转轴旋转对称的圆柱体。 在单轴水平跟踪器中,长的水平管支撑在安装在塔架或框架上的轴承上。 管的轴线在南北线上。 面板安装在管子上,管子将在其轴线上旋转,以跟踪太阳在白天的明显运动。

带倾斜模块的水平单轴跟踪器(HTSAT)
在HSAT中,模块平放在0度,而在HTSAT中,模块以一定的倾斜度安装。 它的工作原理与HSAT相同,保持管轴水平在南北线,并在一天中将太阳能模块从东向西旋转。 这些跟踪器通常适用于高纬度位置,但不占用垂直单轴跟踪器(VSAT)消耗的占地面积。 因此,它在水平跟踪器中带来了VSAT的优势,并最大限度地降低了太阳能项目的总体成本。

垂直移动

垂直单轴跟踪器(VSAT)
垂直单轴跟踪器的旋转轴相对于地面是垂直的。 这些跟踪器在一天中从东向西旋转。 这种跟踪器在高纬度地区比水平轴跟踪器更有效。 现场布局必须考虑阴影以避免不必要的能量损失并优化土地利用。由于一年中阴影的性质,密集包装的优化也是有限的。 垂直单轴跟踪器通常使模块的面相对于旋转轴成一定角度。 当模块跟踪时,它扫过围绕旋转轴旋转对称的圆锥。

斜向移动

倾斜单轴跟踪器(TSAT)
所有在水平和垂直之间具有旋转轴的跟踪器都被认为是倾斜的单轴跟踪器。 跟踪器倾斜角度通常受限于减小风廓线并降低升高的端部高度。 通过回溯,它们可以在没有任何密度的垂直旋转轴的阴影下进行打包。 然而,平行于其旋转轴的填料受到倾斜角和纬度的限制。 倾斜的单轴跟踪器通常使模块的面平行于旋转轴定向。 当模块跟踪时,它扫过围绕旋转轴旋转对称的圆柱体。

双轴跟踪器
双轴跟踪器具有两个自由度,可用作旋转轴。 这些轴通常彼此垂直。 相对于地面固定的轴可以被认为是主轴。 以主轴为参考的轴可以视为辅助轴。 双轴跟踪器有几种常见的实现方式。 它们按主轴相对于地面的方向分类。 两种常见的实施方式是倾斜双轴跟踪器(TTDAT)和方位角 – 高度双轴跟踪器(AADAT)。 在建模性能时,模块相对于跟踪器轴的方向很重要。 双轴跟踪器通常具有平行于辅助旋转轴定向的模块。 双轴跟踪器可以实现最佳的太阳能水平,因为它们能够垂直和水平地跟随太阳。无论太阳在天空中的哪个位置,双轴追踪器都能够自我调整以与太阳直接接触。

提示倾斜
尖端双轴跟踪器(TTDAT)之所以如此命名,是因为面板阵列安装在杆的顶部。 通常,通过围绕杆顶旋转阵列来驱动东西向运动。 在旋转轴承的顶部是T形或H形机构,其提供面板的垂直旋转并提供阵列的主要安装点。 可以在跟踪器之间共享倾斜双轴跟踪器的主旋转轴的任一端处的柱,以降低安装成本。

其他这样的TTDAT跟踪器具有水平主轴和从属正交轴。 垂直方位角轴是固定的。 这使得有效载荷连接到地面安装设备具有很大的灵活性,因为杆周围没有电缆的扭曲。

具有倾斜式双轴跟踪器的现场布局非常灵活。 简单的几何形状意味着保持旋转轴彼此平行是将跟踪器相对于彼此适当定位所需的全部。 通常情况下,跟踪器必须以相当低的密度定位,以避免当太阳在天空中太低时,一个跟踪器在其他跟踪器上投下阴影。 倾斜式倾斜跟踪器可以通过倾斜更接近水平来弥补这一点,从而最大限度地减少太阳阴影,从而最大限度地提高所收集的总功率。

方位高度
方位角 – 高度(或alt方位角)双轴跟踪器(AADAT)的主轴(方位轴)垂直于地面。 次轴通常称为仰角轴,然后通常垂直于主轴。 它们类似于操作中的倾斜倾斜系统,但它们在旋转阵列以进行日常跟踪时的方式不同。 AADAT系统不是围绕杆顶旋转阵列,而是使用安装在地面上的大环,阵列安装在一系列滚轮上。 这种布置的主要优点是阵列的重量分布在环的一部分上,而不是TTDAT中的杆的单个加载点。 这允许AADAT支持更大的阵列。 然而,与TTDAT不同,AADAT系统不能放置得比环的直径更靠近,这可能会降低系统密度,特别是考虑到跟踪器间的阴影。

建筑和(自建)
如后所述,面板和跟踪器的成本之间的经济平衡并非微不足道。 2010年初太阳能电池板成本的急剧下降使得寻找合理解决方案更具挑战性。 从附加的媒体文件中可以看出,大多数结构使用不适合小型或工艺车间的工业和/或重型材料。 甚至像“Complete-Kit-1KW-Single-Axis-Solar-Panel-Tracking-System-Linear-Actuator-Electric-Controller-For-Sunlight-Solar / 1279440_2037007138”这样的商业报价也有相当不合适的解决方案(大石头)用于稳定。 对于小型(业余/爱好者)建筑,必须遵循以下标准:经济性,最终产品对元素危害的稳定性,易于处理材料和细木工。

跟踪器类型选择
跟踪器类型的选择涉及许多因素,包括安装大小,电费,政府激励,土地限制,纬度和当地天气。

水平单轴跟踪器通常用于大型分布式发电项目和公用事业规模项目。 能量改进和较低的产品成本以及较低的安装复杂性的结合导致在大型部署中具有令人信服的经济性。 此外,强大的下午性能对于大型并网光伏系统尤为理想,因此生产将与峰值需求时间相匹配。 水平单轴跟踪器在春季和夏季太阳高空时也会增加大量的生产力。 其支撑结构的固有坚固性和机构的简单性也导致高可靠性,从而保持低维护成本。 由于面板是水平的,它们可以紧凑地放置在轴管上而没有自阴影的危险,并且也易于清洁。

垂直轴跟踪器仅围绕垂直轴枢转,其中面板是垂直的,具有固定的,可调节的或跟踪的仰角。 具有固定或(季节性)可调角度的这种跟踪器适用于高纬度地区,其中明显的太阳能路径不是特别高,但是导致夏天漫长的日子,太阳穿过长弧。

双轴跟踪器通常用于较小的住宅设施和具有非常高的政府饲料关税的地点。

多镜面聚光PV
该装置在水平面上使用多个镜子以将太阳光向上反射到高温光伏或其他需要集中太阳能的系统。 由于镜子不会明显暴露在风荷载中,因此结构问题和费用大大降低。 通过使用专利机制,每个设备只需要两个驱动系统。 由于该装置的配置,它特别适用于平屋顶和低纬度地区。 图示的单元每个产生大约200个峰值DC瓦特。

位于加利福尼亚州兰开斯特的Sierra SunTower采用多镜面反射系统与中央电力塔相结合。 这个由eSolar运营的发电厂计划于2009年8月5日开始运营。该系统使用多个定日镜进行南北对齐,使用预制零件和结构作为降低启动和运营成本的方法。

驱动器类型

主动跟踪器
主动跟踪器使用电机和齿轮系来执行太阳能跟踪。 他们可以使用微处理器和传感器,基于日期和时间的算法,或两者​​的组合来检测太阳的位置。 为了控制和管理这些大型结构的运动,特殊的回转驱动器经过精心设计和严格测试。 用于引导跟踪器的技术不断发展,Google和Eternegy最近的发展包括使用钢丝绳和绞盘来代替一些更昂贵和更脆弱的组件。

可以应用夹持固定角度支撑件的反向旋转回转驱动器以产生“多轴”跟踪方法,该方法消除了相对于纵向对准的旋转。 如果放置在柱子或柱子上,这种方法将产生比固定PV更多的电力,并且其PV阵列将永远不会旋转到停车场驱动车道。 它还可以在几乎任何停车场车道/行方向上实现最大的太阳能发电,包括圆形或曲线形。

有源双轴跟踪器也用于定向定日镜 – 可移动的镜子将太阳光反射到中央发电站的吸收器。 由于大场中的每个镜子都具有单独的方向,因此这些镜像通过中央计算机系统以编程方式控制,这也允许系统在必要时关闭。

光敏跟踪器通常具有两个或多个光电传感器,例如光电二极管,以差分方式配置,以便在接收相同光通量时输出零。 在机械方面,它们应该是全向的(即平坦的)并且相隔90度。 这将使其余弦传递函数中最陡峭的部分在最陡峭的部分达到平衡,从而转化为最大灵敏度。

被动跟踪器
最常见的被动跟踪器使用低沸点压缩气体流体,其被驱动到一侧或另一侧(通过太阳热产生气体压力)以使跟踪器响应于不平衡而移动。 由于这是非精确定向,因此不适用于某些类型的聚光光伏收集器,但对于普通PV板类型可以正常工作。 这些将具有粘性阻尼器,以防止响应阵风的过度运动。 着色器/反射器用于反射清晨的阳光,以“唤醒”面板并将其向太阳倾斜,这可能需要将近一个小时。 通过添加一个自动释放的绑定装置可以大大减少这样做的时间,该绑定装置可以使面板略微超过天顶(以便流体不必克服重力)并在晚上使用绑定装置。 (松弛的弹簧将防止在多风的夜间条件下释放。)

用于光伏太阳能电池板的新兴型无源跟踪器使用光伏电池条纹后面的全息图,使得阳光穿过模块的透明部分并在全息图上反射。 这样可以让阳光从后面射到细胞,从而提高模块的效率。 此外,面板不必移动,因为全息图总是将阳光从正确的角度朝向细胞反射。

手动跟踪
在一些发展中国家,驱动器已被调整跟踪器的运营商所取代。 这具有强大的优势,可以为工作人员提供维护和为工作人员创造就业机会。

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