新型太阳能双轴自动跟踪模型

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1、新型太阳能双轴自动跟踪模型中五班陈鑫指导教师聂金昌（本文获由教育部、周凯旋基金会和中国科协举行的“明天小小科学家评比”二等奖）摘要在世纪末的今天，人类已越来越感受到能源危机、环境恶化的巨大痛苦和灾难，各国都在力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源，于是太阳能以其取之不尽、用之不竭、无污染等诸多优点迅速博得人类的青睐。本文从中学的基础知识出发，参考一些科普读物，提出了“阴影法”和“挡板法”两种跟踪太阳的方案。两法并用，双轴驱动便可达到一年四季、从早到晚全程跟踪太阳，最大限度地利用太阳能的目的。在此基础上介绍了“新型太阳能双轴自动跟踪聚焦式集热器

2、”模型的制作过程，并对其演示结果进行分析与小结，还对作品的推广、普及及太阳能在二十一世纪的利用作了展望。关键词太阳能自动跟踪聚焦效率双轴跟踪一、选题目的在世纪末的今天，人类已越来越感受到能源危机，环境恶化的巨大痛苦和灾难，各国都在力图摆脱对常规能源的依赖，加速发展可再生能源，于是太阳能以其取之不尽，用之不竭，是无污染的清洁能源等诸多优点迅速博得人类的青睐。而今利用太阳能最成功、最普遍的方式，当数光热转换类型。它也是太阳能直接利用中效率最高的一种类型。（一般光化学转换的效率只有百分之几，光电转换的效率最高不超过百分之二十五，而光热转换的效率最高可达7

3、0%以上。）虽然太阳能总能量很大，但由于太阳能的能量密度比较低（在大气层外的平均密度约为1.35kw/m2，再考虑通过大气层的损耗等因素，到达地面时，只有不到1kw/m2。）给太阳能的直接高效利用带来极大困难。所以如何获得更高的效率是太阳能利用的一个重要课题。目前，太阳能的热利用已从简单的低温集热，向太阳能热发电，化工中的蒸馏、精馏用热等中高温集热的方向发展，所以一般固定平板式集热器很难满足要求。于是，我想能否制作一种“向日葵”般的设备来提高效率和温度呢？我从地理课本上了解到由于存在一个66.5度的黄赤交角,所以随着地球的自转与公转,便产生了太阳每

4、天时角和四季赤纬角的变化。于是太阳能双轴自动跟踪聚焦式集热器的设想便产生了。二、原理论证太阳光的投射角不同，单位面积上收集的能量大小是不同的。为了说明这个情况，我们假设一截面为1m2的太阳光束S以不同的角度投射到平面MN以上，在A处，光线垂直投射，入射角θ=0，包含在太阳光线里的能量分布在1m2的面积上；在B处，投射角0<θ¢<90°，同样多的能量分布在1/cosθˊm2的面积上。能量一定单位面积上的能量与面积成反比，所以B处单位面积上的能量，只有A处的cosθˊ倍。当光线以85°角入射时，单位面积上的能量约只有垂直投射时的1/12。由此可见，太阳

5、光投射角不同，收集能量的效率相差是很大，只有垂直投射时效率最高。以上只是在我的知识范围内从理论上定性地分析，为了验证我的想法，我又查阅了一些资料。下面是我从《太阳能应用技术》这本书上查到的公式：倾斜面上阳光入射角公式cosθ=cosSsinФsinδ+cosScosФcosδcosω+sinSsinγcosδsinω+sinSsinФcosδcosωcosγ-sinScosγsinδcosδγ-方位角δ-太阳赤纬角S-倾斜角θ-倾斜面上阳光入射角ω-太阳时角Ф-倾斜面所在地理纬度当δ，ω确定之后，调整倾斜面的S和γ就能调整θ，θ越小，则太阳能收集器

6、效率越高，当θ=0时，太阳射线垂直于收集器平面，这时效率最高，所以调整θ就可以调整太阳能收集器接受能量辐射大小，这就是太阳跟踪原理。而以下是我从对太阳能做了长期研究的亚利桑那州立大学的PlatonBaltas等教授发表在SolarEnergy杂志上的文章（EvaluationOfOutputForFixedAndStepTrackingPhotovoltaicArrays）上查到的资料：以上两张图表定量地反映了跟踪的优越性。所以，为了达到最高效率，必须进行双轴跟踪。怎么实现呢？我构想了以下两种简便的跟踪方案：⒈阴影法：当太阳、热管、太阳能电池板三线

7、一面时，太阳光垂直于抛物面，效率最高，而此时由于热管的阴影遮挡住太阳能电池板，电池板中没有电流，驱动机构不工作；当太阳发生偏移，热管的影子移出太阳能电池板，电池板受到阳光照射，产生电流，驱动机构带动抛物面偏转；当太阳、热管、太阳能电池板重新进入三线一面，热管的影子重新移入太阳能电池板，电池板中没有了电流，抛物面停止转动，而此时抛物面恰好正对太阳，集热效率仍是最高，从而实现自动跟踪。⒉挡板法：当太阳光垂直入射时，效率最高，而此时由于挡板两侧的光敏电阻所受的光照强度相等，阻值和分压值也相等，驱动机构不工作；当太阳斜射时，两侧光敏电阻所受光照强度不同，阻

8、值和分压值也不同，装置向光照强度较大的一方偏转，直到两侧光敏电阻的分压值再次相等，此时档板平面恰好正对太阳，效率最高。三、