前言

为了解决海上供电难问题，设计了一种球形海面太阳能漂浮发电装置 。

此装置采用光伏发电原理，通过计算太阳高度角确定反光膜的位置，并设计了光伏控制器，运用不倒翁原理使装置在海上保持稳定 。

通过在海上实地实验，对此装置的实用性进行了验证 。

实验数据表明：此装置的太阳能光伏板输出功率稳定高效，在海上发电方面具有较高的实用性。

适合海面的太阳能装置

海洋天气和水流变化是复杂的自然现象 。

在海水腐蚀大且海平面波动较大的情况 下，如何利用太阳能发电解决近海养殖照明用电问题，是值得我们研究的课题 。

目前，太阳能的利用方式主要有两种：一种是通过集热器将光能转换为热能，另一种是将光能转换为电能 。

太阳能装置的结构也有两种：一种是固定式，另一种是自动跟踪式 。

以上两种结构形式的太阳能装置在波涛汹涌的海面上使用，显然是行不通的 。

因为，在海面上使用太阳能必须先保证装置的稳定性 。

相比以上两种装置，采用球形海面漂浮太阳能发电装置，不仅解决了普通太阳能装置在海上漂浮不定、容易被海浪打翻的问题，还可以输出稳定的电能 。

渔民可在漂浮的养殖区域内直接使用该装置发电，不需布设海底电缆或使用柴油机发电。这样就大大降低了近海养殖户的用电成本，较好地解决了他们的用电问题 。

发电系统反光装置位置的分析与计算

为了使太阳能光伏板充分利用一天当中不同时刻的光能，需要采用反光膜，让它作为反光装置反射光能给太阳能板 。

因此，必须计算最低太阳高度角 , 并根据光的反射原理确定粘贴反光膜的位置，以 达到能最大限度地利用光能的目的 。

（ 一）太阳高度角的计算

太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角，简称太阳高度 。

太阳高度是决定地球表面获得太阳能数量的最重要因素 。

通过计算最低太阳高度角，可科学地确定反光膜的粘贴位置 。

太阳高度角随着时角和赤纬角的变化而变化 。

太阳高度角用h表示，太阳赤纬（与太阳直射点纬度相等）用 δ表示。

观测点的地理纬度用 φ表示（太阳赤纬与地理纬度都是北纬为正，南纬为负）。

时角用 t 表示，由此可得如下太阳高度角的计算公式

sinh=sinφsinδ+cosφcosδcost (1)

1.赤纬角δ的选取赤纬角δ是地球赤道平面与太阳和地球中心连线之间的夹角, 与太阳直射点 纬度相等 。

赤纬角以年为周期，在 23 26 ’N与 23 26 ’S的范围内变化，是季节变化的标志 。

本文以山东烟台龙口（以下简称当地）的地理位置为例，为了较为准确地计算烟台龙口地区的最低太阳高度角，取龙口地区5月到8月之间的赤纬角δ=23 ,10月到次年2月之间的赤纬角δ=-23 。

2.太阳时角t的计算太阳时角t的计算公式如下

t=(ST-12) 15 (2)

ST是当地真太阳时[4]163（在这里取当地时间）。

在北半球上午时间为负值，下午为正值。

下表中我们统计了当地全年不同月份一天当中太阳光照强度较高的时间段。

全年不同月份一天当中太阳光照强度较高的时间段

通过以上数据分析，本文取太阳高度角最低的时间段：7 00~18 00和8 00~16 00,即可求出以下几组太阳时角。

其中t 1、t 2表示上午阶段最低太阳时角，t 1*、t 2*表示下午阶段最低太阳时角。

t 1=(7-12) 15 =-75 t 1*=(18-12) 15 =90

t 2=(8-12) 15 =-60 t 2*=(16-12) 15 =60

3.一天当中最低太阳高度角的计算当地的地理纬度为φ=37 。

将以上选取的赤纬角δ=23 ,以及上面所求得的几组当地太阳时角代入太阳高度角，计算公式，可得到以下几组太阳高度角：

sinh1=sin37sin23+cos37cos23cos(-75)sinh2=sin37sin23+cos37cos23cos90

sinh3=sin37sin(-23)+cos37cos(-23)cos(-60)sinh4=sin37sin(-23)+cos37cos(-23)cos60

得h1=23.15 得h2=13.59 得h3=7.5 得h4=7.5

再结合当地实际情况，可以选取当地最低太阳高度角（在18 ~25 之间）。

从而，可以较为准确地确定反光膜粘贴位置。

（二）太阳能发电装置的整体设计

在较为准确地确定了反光膜粘贴位置后，再根据光的反射原理,遵循最大限度收集光能的原则，即可科学地确定太阳能板的位置。

通过以上对最低太阳高度角的计算，结合光的反射原理，以最大利用光能为原则，确定反射膜的粘贴位置和太阳能板的安装位置，最终设计出球形海面漂浮太阳能发电装置的整体结构。

球形海面漂浮太阳能发电装置原理图

如图所示，A为最低太阳高度角，B为反光膜粘贴位置，B1,B2为阳光反射位置。

装置工作原理：当太阳高度角较低时，入射阳光经反光膜反射到太阳能板上被光电池吸收，然后将光能转化为电能，再经光伏控制器储存到蓄电池中。

球形海面漂浮太阳能发电装置的结构

球形海面漂浮太阳能发电装置主要由透明球体承载装置、反光装置、太阳能电池板、光伏控制器、蓄电池等几部分组成。

球形海面漂浮太阳能发电装置结构组成框图

为了保持太阳能板在海上的稳定性，保证太阳能的有效利用，系统中的承载装置采用透明的PS空心圆球。

其结构稳定，透光性良好，耐腐蚀性强，是较为理想的承载装置。

并且，还运用不倒翁原理，保持发电装置在海面上的稳定性。

反光装置采用性能良好、价格合理的反光膜。

通过太阳高度角的计算，来确定反光膜的适当位置，可以达到最大限度收集光能的效果。

太阳能电池板使用的是单块18V5 W多晶硅太阳能板，工作电压18V、开路电压22 V,工作电流0.28A、短路电流0.3A,最大发电功率为6.6 W。

球形海面漂浮太阳能发电装置中的电路设计

发电装置的电路采用了并联型光伏控制器,还设计了稳压电路，来对太阳能板发出的电能进行稳压。

（一）并联型控制器电路原理

光伏控制器通过检测蓄电池在充放电过程中的电压或荷电状态，可以判断蓄电池是否已经达到过充电或放电，并根据检测结果，发出继续充、放电或终止充、放电的指令，由此实现对电池充放电的控制。

单路并联型充放电控制器电路原理:VD1是防反充电二极管，VD2是防反接二极管；T1和T2均是开关，其中T1是控制器充电回路中的开关，T2为蓄电池放电开关；Bx是保险丝；R是泄荷负载。

检测控制电路主要用于监控电池两端电压。

当充电电压大于充满电压时,T1导通，VD1截止，光伏电池电流从T1旁路泄放，不再对蓄电池充电，由此保证了蓄电池不过充。

当蓄电池供电电压低于其过放保护电压时，T2关断，对蓄电池进行放电保护。

当负载过大或短路，电流大于额定工作电流时，T2也会关断，起过载和短路保护作用。

在蓄电池极性接反时，VD2导通，使保险丝熔断，起接反保护作用。

并联型控制器电路线路简单，充电回路损耗小，效率高，通常用于小功率小型系统。

实验验证，该并联型控制器适合本文所设计的小型海面发电系统。

（二）可调稳压电路设计

为使太阳能发电板输出稳定电压，设计了可调稳压电路,稳定了输出所需电压。

此电路主芯片采用LM2576-adj,工作电压输入直流小于3~40V,输出最大电流为3A,输出电压1.25~37 V可调。

此电路的输入输出采用压接端子，压线方式采用螺旋压接，并采用高效率散热片。

此稳压电路输入电压范围广，输出效率高，输出电压稳定，符合小型发电系统的稳压要求。

可调稳压电路原理图

实物制作及发电性能测试

（ 一）实物制作

课题组在完成了结构及电路设计后，按设计要求制作出了球形海面太阳能漂浮发电装置的实物。

由于单只球体在海中稳定性较差，摆动角很大，故采用多只球合在一起作为浮筏，以减少摆动角度。

根据这一设想，可在近海养殖户漂浮的房子周围，安装多个海面漂浮太阳能发电装置。

这样，不仅可以加强装置在海上的稳定性，还可以向养殖户提供更多的电能，满足了养殖户的用电需求。

装置整体效果图

根据不倒翁原理，将单个球形海面漂浮发电装置的重心降低，可以保持单个装置在海上的稳定性。

若将此装置按照效果图中的安装方法安装在养殖户的房子周边，把多个海面球形发电装置配合使用，可以使整个装置在波涛汹涌的海面上具有更好的稳定性。

这样便更有利于太阳能板吸收光能。

此装置的最大优势在于早晨或下午太阳高度角较低时，可通过反光膜将太阳光反射给太阳能板，达到最大限度利用光能的目的。

在其它太阳高度角较高的时段，太阳能板可充分利用光能，最终把光能转化为电能，并通过稳压电路储存在蓄电池中。

通过蓄电池输出，电能可直接用做小型船模续航用电，或给船模上其他电子设备供电；也可通过外接逆变器，为海上养殖户提供家庭用电。

（二）发电性能测试

为了测试球形海面漂浮太阳能发电装置在海上的真实使用效果，将装置带到真实的海面上，进行发电性能测试。

为了更科学合理地反映发电性能，分别在阴天、多云、晴朗三种典型天气状况下，对此装置进行发电性能测试。

为了更为科学地测试此装置的发电效率，选择在开路状况下测量输出功率，以此表征其发电效率。

同时，记录下当天海上的气压、风速、温度等影响因素，以便使测试数据更加详实准确。

发电装置所使用的太阳能板为单块18V5 W多晶硅太阳能板，最大输出功率为6.6 W。

从所测得的实际数据可以看出：在不同的天气状况下，球形海面漂浮太阳能发电装置可以发出比较稳定的功率，输出功率较高。

可见，该装置在实际运用中性能稳定，发电效率较高，实用性较强，可稳定地为近海养殖户提供照明用电。

结论

本文通过计算太阳高度角，利用反光原理和不倒翁原理，设计出了球形海面太阳能漂浮发电装置 。

实际测试证明：与传统的固定式太阳能发电装置相比，球形海面太阳 能漂浮发电装置具有发电效率高、稳定性与耐腐蚀性强、在海上不易被打翻等优势，具有良好的应用前景 。

这种发电装置可为近海养殖户提供照明用电，也可用于小型船模作续航用电，或给船模上其他电子设备供电 。

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