太阳能直接获取和利用方法的研究

魏山林，申 莹，朱欣颖，王高亮

（1.周口师范学院 物理与机电工程学院，河南 周口466001；2.中国科学院声学研究所 东海研究站，上海200032）

随着全球经济的快速发展，能源紧缺、环境恶化等问题严重影响着人类生存与发展的空间.传统能源的过度利用导致冰山融化、环境污染以及生态失衡，人类的可持续发展受到严重挑战.在此背景下，人们将目光集中在太阳能、风能、核能、生物质能等新能源［1］.中国“十二五”规划也对以核能、风能、太阳能为代表的新能源产业做出了全面的布局.而在这些新型能源中，太阳能又以清洁、廉价、用之不竭受到了人们的广泛青睐.

根据现有资料估算［2］，全球潜在的太阳能源大约为2.5～80TW.如果用最小值估算，也就是2.5 TW，占现有耗能的比例近20%，超过预测的2030年全球总耗能量21.84TW的10%.在现有的能源消费构成中，工农业生产以及人类取暖降温所消耗的能量占总耗能的30%～40%，而且全世界的人均耗能还以39%的增长速率在增加.所有的能源消耗都以传统能源为主，新能源提供的能源总量不足总耗能的3%，太阳能提供的能源总量不超过总消耗能量的1%.如果现有耗能的一部分能够被太阳能取代就可以产生巨大的经济效益，大大减少产能支出.因此，把太阳能作为传统能源的替代品具有广阔的发展空间.

在太阳能的利用中，间接利用太阳能的方法很多，其中太阳能制冷又因其巨大的应用空间而受到人们广泛关注，万忠民等［3］提出了一种高效太阳能混合吸收式制冷循环系统；张柏涛等［4］分析了太阳能吸附式制冷技术的最新发展；张博等［5］分析了太阳能制冷系统的性能.但转化率低、供能少的问题一直限制着间接利用太阳能的发展.直接利用太阳能，因为减少了能量二次转化引起的能耗而受到人们广泛的关注.王光伟等［6］研究了太阳能直接利用的方式并对其应用前景进行了分析.其中太阳能转化为电能是一种直接利用太阳能的有效方法，但存在的发电效率低、成本高等诸多问题，一直限制着太阳能的进一步发展，如何有效的解决这一难题是人们不断聚焦的议题.

针对提高太阳能的利用率以及解决太阳能系统中存在的接收器温度过高造成热负荷损失过大的问题.笔者以大连市太阳能统计数据为基础，提出了一种直接利用太阳能的方法，利用太阳能模块化聚光技术以及能量无线传输技术，提高光辐射强度，减少能量消耗，提高光电转换效率.结合现有电力通信网中存在的问题，提出了以物联网为架构的物联电力信息管理平台，实现终端设备智能监控、能量分流控制，解决太阳能系统中存在的接收器温度过高造成热负荷损失过大的问题，提高了电力通信网络的智能化水平.

1 系统架构

在“十二五”规划的能源结构中太阳能占据极其重要的地位，除了为人们生活提供必要的能量外还能够利用现有技术将太阳能转化为其他形式的能量而应用.然而，太阳能转化为其他形式的能量时，转换效率低的问题一直制约着太阳能的进一步发展.因此，在整个能源系统的构成中，太阳能还处于辅助其他能源的地位而不具有独立供能的能力.为了进一步提高太阳能的利用率，扩大其应用范围.笔者提出的方法如下：

对于源头的太阳光，首先通过聚焦设备提高太阳光辐射强度，继而采用最大功率点追踪技术（Maximum PowerPoint Tracking，MPPT），保证光斑始终处于透镜焦点位置，以此提高太阳能光电、热电转化效率.转化后的电能经处理并通过能量无线传输技术传输至能量汇聚中心（变电站），减少了太阳能电池储能进行二次变换的过程，将能量汇聚中心作为接入主电网的备用储能点.由于太阳光照的随机性以及不确定性，太阳能收集设备和电力系统在时域上会出现电荷过载或欠缺等情况，对整个系统造成较大破坏.为避免太阳能系统中接收器温度过高导致热负荷损失过大，在接收器端采用多接收器，并通过点式光纤温度传感器监控接收器端的温度，在温度过高时调节接收器的次序，保证接收器工作在适当的温度范围.在产能比较充足的时候，除保证基本电力产生的同时将多余的能量进行分流，将其转换成其他形式的能量，如热能.产能不足时，系统自动切换到单一电能转化模式全力提供太阳能电能转换.输出端设置电能质量检测模块，实时监测电能的产能质量.对于空间分立的电能产生模块通过能量无线传输技术将电能传输汇聚到能量汇聚中心，提供必要的电力服务，缓解公共电网的用电压力.在这个过程中，物联网电力信息管理平台全程追踪电力系统的整个过程，确保公共电网与备用储能点对电能的正常、合理、安全配送.系统整体架构如图1所示.

物联网电力信息管理平台主要包含的模块有信息应用层、信息处理层、信息传输层和感知延伸互动层.信息应用层主要完成智能输电、智能变电、智能配电和智能用电的控制.信息处理层主要实现光电变化过程中相关设备以及电网状态、用电信息的相应处理.信息传输层主要将用电综合信息数据库的相关数据通过现有通信网进行终端传送，为需要信息的终端提供传输业务以及传送控制指令.感知延伸互动层主要通过各种传感器检测太阳光强、接收端聚焦设备负荷大小、硬件使用环境和配电状态、电能质量以及计量考核用户用电量.

2 系统的关键技术及物联电力信息管理平台

2.1 系统的关键技术

2.1.1 MPPT（最大功率点追踪技术）

对于一个给定的光伏阵列，其输出功率不是线性的，受其当时所处条件下温度高低、负载大小以及太阳辐射照度强弱等各种因素的影响.如果给定温度和太阳辐射的强度，光伏阵列输出电压是一个动态范围.只有在某些特定值时，光伏阵列才能够输出较大的功率，其中只在一个点时输出最大的功率，这时光伏阵列就工作在最大功率输出点（MPP）.因此，提高光电转化效率的一个重要方法就是布置特定的传感器实时检测光伏阵列的输出功率，并通过一些相应的控制算法预测当前环境下光伏阵列所可能输出最大功率点，进而改变负载阻抗大小，调整光伏阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，这个过程就叫做最大功率点跟踪.

图1 系统整体架构图

2.1.2 聚焦技术

对太阳能进行聚焦利用，是为了最大化更有效地获取太阳能.通过太阳能高倍聚光器的利用，结合物联网实时监测接收端温度，调整接收器的次序降低现有聚光系统中由于聚光光斑温度过高而导致所在的接收器温度过高的情况，也降低了接收器温度过高而能量过多损失的缺点，降低了系统固有的能量消耗.

2.1.3 光电、热电转化技术

通过光电变换，可以有效转化太阳能能量.总体上来说光电转换可以分为两大类：一类是太阳能光伏发电，另一类是太阳能热发电.太阳能光伏发电的原理是半导体光电效应，利用光伏设备把光能直接转换成电能.传统的光伏装置是将太阳能转化的能量储存在太阳能电池中通过电能－化学能的变化实现能量的储存.这大大降低了太阳能的利用效率，也不利于大规模配电中心的集中调度，而且二次转换降低了系统的转化效率.因此笔者将其改进，采用无线传输技术将分立的产能模块直接通过无线传输配送到能量汇聚中心，并通过物联网信息平台进行能量调度分配，为用户家庭提供电力支持.

2.2 物联电力信息管理平台

电力通信网中存在的问题主要有以下几方面［7］：首先，数据采集终端无法智能地监控整个网络，仍需要消耗大量人力物力检查线路，无法实现线路的自动实时自检.其次，电力网系统一旦出现故障，无法实现自恢复和自愈能力，仍依靠人工手动维修，信息传递各自形成壁垒，不能够互联互通.最后，电力网系统智能化程度不高，局部的自动化不能够让网络发挥更大的效力，导致整个电网的智能化程度不高.

鉴于目前电力通信网中存在的以上问题，笔者以物联网为架构，建立物联电力信息智能管理平台.依据物联网平台构建全面的感知、实时掌控的电力通信系统，根据终端传感器对现场设备以及应用环境的检测，将多种网络融合为一体构建智能电网管理平台，为用户提供多种业务，多种交互，进而扩大数据采集监控范围，将电网连成一个互联互通的平台，实现实时监控、双向互动的功能.物联电力信息管理平台框图如图2所示.

图2 物联电力信息管理平台框图

从太阳能的直接获取和直接利用，到能量无线传输，以及电能传输到用户这一系列过程都需要全面追踪系统的运行情况和详细信息.借助物联网，对本系统进行全程、全景、实时感知是必要的.由云计算实现泛在数据实时分析，实现设备能量转换、无线传输、质量检测以及变电站设备相关检测和控制.统一调配电力资源，结合电网具体需求，智能分配输电、变电、配电和用电四大应用模块是实现与用户信息相互沟通和构建高效智能化电网的内在需求.

对于物联网的感知手段，可以利用大范围铺设的传感器网络实现电网数据的全面感知，在聚光设备、能量分流、无线传输和输电、变电、配电、用电七大环节中都可以构建传感网络，结合下一代通信技术，提高数据的采集质量，为系统提供高效、安全可靠的运行环境.

3 系统性能分析

为了说明系统的性能，本文以大连市2014年6月份的太阳光照数据为例.

图3 六月份天气状况及温度

对太阳进行跟踪的太阳能高倍聚光器的聚光比一般为20 000～35 000，本系统将聚光比取为20 000.图3是6月份的天气状况及温度，其中0－雨，1－阴，2－多云，3－晴.从图中可以看到6月份随着天气状态变化不定，温度也随之而变化.

图4是太阳能日平均辐照度曲线图，其实线为原始数据处理后绘制的日平均每平方米能量储量曲线.由于接收器上的能量来自太阳，其最高温度不可能超过6 000K，因此，无法使接收到的能量无限增大.由于地面接收到的日平均辐照度相对于高倍聚光后的数值来说比例太小，因而图形表现为一条直线，实际中是变化的.虚线是聚焦之后单位面积能量曲线分布折线图.由图可知，由于太阳能的随机性和天气的变化，6月份的日平均辐照度存在着严重的不均匀性.也可以看出经聚焦后的太阳能接收大大增强.为用户提供了较为充足的能量来源同时又降低了中间环节的二次能量转换损耗，因此可以提高太阳能的利用率.另外，通过物联电力信息管理平台对设备进行实时监控调整，追踪电网整个过程，合理调度用电分配以及能量转换方式，解决了太阳能系统中存在的接收器温度过高造成热负荷损失过大的问题，也大大提高了系统的智能化水平.

图4 太阳能日平均辐照度曲线图

4 结束语

太阳能是一种清洁可再生能源，覆盖范围广，储备量丰富，利用水平却很低.在“十二五”规划的能源结构中太阳能占据极其重要的地位，充分利用太阳能不仅可以缓解全球的能源危机，更可构建绿色环保的生活环境，为人们的生活提供高效清洁的能源是人类共同奋斗的目标.本文提出的方法不仅可以实现太阳能的直接获取和利用，而且通过物联电力信息管理平台实现设备的实时监控、智能调整.不仅提高了太阳能的转化率，也解决了太阳能系统中存在的接收器温度过高造成热负荷损失过大的问题，提升了电力通信网络的智能化水平.

［1］张鹤飞，俞金娣，赵承龙.太阳能热利用原理与计算机模拟［M］.西安：西北工业大学出版社，1999：18－20.

［2］韩延民.太阳能高倍聚光能量传输利用理论及试验研究［D］.上海：上海交通大学，2007.

［3］万忠民，舒水明.一种高效太阳能混合吸收式制冷系统［J］.华中科技大学学报，2003，31（1）：1－3.

［4］张柏涛，周伟国.太阳能吸附式制冷技术分析［J］.能源研究与信息，2004，20（3）：165－169.

［5］张博，沈胜强.太阳能喷射式制冷系统性能分析［J］.太阳能学报，2001，22（4）：451－455.

［6］王光伟，韩蕾，郭丽娜，等.太阳能直接热利用主要方式及应用综述［J］.能源与环境，2014，15（4）：34－36.

［7］桑建人，刘玉兰，林莉.宁夏太阳辐射特征及太阳能利用潜力综合评价［J］.中国沙漠，2006，26（1）：122－125.