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1、新型太陽能雙軸自動跟蹤模型中五班陳鑫指導教師聶金昌（本文獲由教育部、周凱旋基金會和中國科協(xié)舉行的“明天小小科學家評比”二等獎）摘要在世紀末的今天，人類已越來越感受到能源危機、環(huán)境惡化的巨大痛苦和災難，各國都在力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源，于是太陽能以其取之不盡、用之不竭、無污染等諸多優(yōu)點迅速博得人類的青睞。本文從中學的基礎知識出發(fā)，參考一些科普讀物，提出了“陰影法”和“擋板法”兩種跟蹤太陽的方案。兩法并用，雙軸驅動便可達到一年四季、從早到晚全程跟蹤太陽，最大限度地利用太陽能的目的。在此基礎上介紹了“新型太陽能雙軸自動跟蹤聚焦式集熱器”模型的制作過程
2、，并對其演示結果進行分析與小結，還對作品的推廣、普及及太陽能在二十一世紀的利用作了展望。關鍵詞太陽能自動跟蹤聚焦效率雙軸跟蹤一、選題目的在世紀末的今天，人類已越來越感受到能源危機，環(huán)境惡化的巨大痛苦和災難，各國都在力圖擺脫對常規(guī)能源的依賴，加速發(fā)展可再生能源，于是太陽能以其取之不盡，用之不竭，是無污染的清潔能源等諸多優(yōu)點迅速博得人類的青睞。而今利用太陽能最成功、最普遍的方式，當數(shù)光熱轉換類型。它也是太陽能直接利用中效率最高的一種類型。（一般光化學轉換的效率只有百分之幾，光電轉換的效率最高不超過百分之二十五，而光熱轉換的效率最高可達70%以上。）雖然太陽能總能量很大
3、，但由于太陽能的能量密度比較低（在大氣層外的平均密度約為1.35kw/m2，再考慮通過大氣層的損耗等因素，到達地面時，只有不到1kw/m2。）給太陽能的直接高效利用帶來極大困難。所以如何獲得更高的效率是太陽能利用的一個重要課題。目前，太陽能的熱利用已從簡單的低溫集熱，向太陽能熱發(fā)電，化工中的蒸餾、精餾用熱等中高溫集熱的方向發(fā)展，所以一般固定平板式集熱器很難滿足要求。于是，我想能否制作一種“向日葵”般的設備來提高效率和溫度呢？我從地理課本上了解到由于存在一個66.5度的黃赤交角,所以隨著地球的自轉與公轉,便產生了太陽每天時角和四季赤緯角的變化。于是太陽能雙軸自動跟蹤
4、聚焦式集熱器的設想便產生了。二、原理論證太陽光的投射角不同，單位面積上收集的能量大小是不同的。為了說明這個情況，我們假設一截面為1m2的太陽光束S以不同的角度投射到平面MN以上，在A處，光線垂直投射，入射角θ=0，包含在太陽光線里的能量分布在1m2的面積上；在B處，投射角0<θ￠<90°，同樣多的能量分布在1/cosθˊm2的面積上。能量一定單位面積上的能量與面積成反比，所以B處單位面積上的能量，只有A處的cosθˊ倍。當光線以85°角入射時，單位面積上的能量約只有垂直投射時的1/12。由此可見，太陽光投射角不同，收集能量的效率相差是很大，只有垂直投射時效率最高。
5、以上只是在我的知識范圍內從理論上定性地分析，為了驗證我的想法，我又查閱了一些資料。下面是我從《太陽能應用技術》這本書上查到的公式：傾斜面上陽光入射角公式cosθ=cosSsinФsinδ+cosScosФcosδcosω+sinSsinγcosδsinω+sinSsinФcosδcosωcosγ-sinScosγsinδcosδγ-方位角δ-太陽赤緯角S-傾斜角θ-傾斜面上陽光入射角ω-太陽時角Ф-傾斜面所在地理緯度當δ，ω確定之后，調整傾斜面的S和γ就能調整θ，θ越小，則太陽能收集器效率越高，當θ=0時，太陽射線垂直于收集器平面，這時效率最高，所以調整θ就可以調
6、整太陽能收集器接受能量輻射大小，這就是太陽跟蹤原理。而以下是我從對太陽能做了長期研究的亞利桑那州立大學的PlatonBaltas等教授發(fā)表在SolarEnergy雜志上的文章（EvaluationOfOutputForFixedAndStepTrackingPhotovoltaicArrays）上查到的資料：以上兩張圖表定量地反映了跟蹤的優(yōu)越性。所以，為了達到最高效率，必須進行雙軸跟蹤。怎么實現(xiàn)呢？我構想了以下兩種簡便的跟蹤方案：⒈陰影法：當太陽、熱管、太陽能電池板三線一面時，太陽光垂直于拋物面，效率最高，而此時由于熱管的陰影遮擋住太陽能電池板，電池板中沒有電流，
7、驅動機構不工作；當太陽發(fā)生偏移，熱管的影子移出太陽能電池板，電池板受到陽光照射，產生電流，驅動機構帶動拋物面偏轉；當太陽、熱管、太陽能電池板重新進入三線一面，熱管的影子重新移入太陽能電池板，電池板中沒有了電流，拋物面停止轉動，而此時拋物面恰好正對太陽，集熱效率仍是最高，從而實現(xiàn)自動跟蹤。⒉擋板法：當太陽光垂直入射時，效率最高，而此時由于擋板兩側的光敏電阻所受的光照強度相等，阻值和分壓值也相等，驅動機構不工作；當太陽斜射時，兩側光敏電阻所受光照強度不同，阻值和分壓值也不同，裝置向光照強度較大的一方偏轉，直到兩側光敏電阻的分壓值再次相等，此時檔板平面恰好正對太陽，效率
8、最高。三、
