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        極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)研究

        2013-06-06 04:33:46吳詠昆
        機(jī)電工程技術(shù) 2013年6期
        關(guān)鍵詞:系統(tǒng)

        吳詠昆

        (珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司,廣東珠海 519060)

        根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),日照跟蹤系統(tǒng)的發(fā)電量,比不跟蹤的太陽能發(fā)電系統(tǒng)多25%~70%。對于提高陽光利用率,有效降低土地使用面積,降低光伏發(fā)電的成本,具有很重要的意義。

        日照跟蹤系統(tǒng)根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為單軸跟蹤系統(tǒng)和雙軸跟蹤系統(tǒng)。雙軸跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)也有很多種,經(jīng)多年的改進(jìn),現(xiàn)在常見的結(jié)構(gòu)為垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和俯仰運(yùn)動組成的雙軸系統(tǒng),垂直旋轉(zhuǎn)運(yùn)動一般在0°~180°之間,俯仰運(yùn)動在0°~90°之間。兩個(gè)方向上,每日都必須進(jìn)行不停的調(diào)整,才能保證太陽光直射太陽能面板,因此需要2 個(gè)電機(jī),能量消耗較大,且成本較高。單軸跟蹤系統(tǒng)在南北回歸線內(nèi)使用都比較好,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,雖然發(fā)電量沒有雙軸跟蹤系統(tǒng)好,但通過一年二次及以上的調(diào)整,也可以做到和雙軸系統(tǒng)相差不大。因此著重研究了單軸(極軸式)日照跟蹤系統(tǒng)。

        1 極軸式日照跟蹤系統(tǒng)原理

        在地球上一點(diǎn),觀察太陽的運(yùn)動軌跡,是由地球圍繞太陽自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)兩個(gè)運(yùn)動同時(shí)作用形成的,要想最大限度地讓陽光直射太陽能面板,就應(yīng)該最大限度地抵消地球自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)[1]。如圖1所示。

        當(dāng)太陽能面板軸線OO’與地表成當(dāng)?shù)氐木暥戎郸臅r(shí),太陽能面板軸線即與地球的自轉(zhuǎn)軸線平行,此時(shí)太陽能面板繞此軸線OO’與地球自轉(zhuǎn)方向相反時(shí),就可抵消地球自轉(zhuǎn)的影響[2]。太陽光射向地球的方向,隨四季的不同而不同,如圖1 所示,夏至與春分、秋分的太陽光方向相差22°,冬至與春分、秋分的太陽光方向也相差22°,因此太陽能面板在紙平面的方向,應(yīng)有44°的調(diào)整范圍,一年調(diào)整一個(gè)循環(huán),每天變化的度數(shù)=44×2/365≈0.24°[3],太陽板這個(gè)方向上的運(yùn)動,可以抵消地球公轉(zhuǎn)的影響,從而使太陽能面板最大限度地接受陽光的照射。

        2 單軸日照跟蹤系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

        圖1 系統(tǒng)原理

        單軸日照跟蹤系統(tǒng)中,近期還出現(xiàn)了一種利用阻尼器和太陽板自身重力進(jìn)行轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)白天轉(zhuǎn)動太陽板不需要電機(jī)能量,靠自身重力和阻尼器轉(zhuǎn)動太陽能面板,晚上再復(fù)位,但因?yàn)橐獙⑻柊逡苿拥捷^高的位置,仍需要較多的復(fù)位能量。比直接電機(jī)驅(qū)動的單軸系統(tǒng),主要節(jié)約了電機(jī)多次啟動的能耗。而且這種系統(tǒng)有個(gè)致命的問題,太陽能面板一般都會放在平地或房頂比較空曠的地方,這些地方一般經(jīng)常都會有比較大的風(fēng)。如果系統(tǒng)靠自身重力和阻尼器運(yùn)動,一定會受到風(fēng)的影響,造成太陽板的加速或緩慢的運(yùn)動,從而對不準(zhǔn)太陽的位置,因而產(chǎn)生較大的能量損失。因此建議仍然采用電機(jī)轉(zhuǎn)動太陽能面板。

        3 極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

        根據(jù)單軸日照跟蹤系統(tǒng)的缺點(diǎn),本文提出了極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。極軸式日照跟蹤系統(tǒng),因其在圖1 中紙面方向的轉(zhuǎn)動(即抵消地球公轉(zhuǎn)運(yùn)行),每天僅需調(diào)整0.24°,因此很多系統(tǒng)采用人工調(diào)整的方法,每年調(diào)整2 次左右。調(diào)整的次數(shù)越多當(dāng)然就越準(zhǔn)確。但是調(diào)整也是一項(xiàng)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。圖2的系統(tǒng),可以利用OO’旋轉(zhuǎn)方向的電機(jī),通過電磁離合器的控制,實(shí)現(xiàn)太陽能面板,在圖1 中紙面方向的轉(zhuǎn)動??梢悦恐苷{(diào)整一次,甚至可以每天定時(shí)調(diào)整一次。當(dāng)然也可以采用人工調(diào)整,可以編程控制,可根據(jù)實(shí)際的情況靈活改變。

        3.1 抵消地球自轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

        每日日出時(shí),電磁離合器1 將太陽能板左端的OO’軸與電機(jī)通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的輸出軸嚙合,帶動太陽能面板框沿OO’軸,慢慢旋轉(zhuǎn),建議采取點(diǎn)動方式,比如每30分鐘或者60分鐘調(diào)整一次,或者按需調(diào)整,比如早晚的時(shí)候調(diào)整的頻繁一些,中午的時(shí)候間隔稍長一些。以達(dá)到能量消耗最少,太陽能發(fā)電最多的目的。每天日落后,電機(jī)又帶動太陽能面板框返回每天早晨的起點(diǎn)位置,以備第二天的需要[4]。

        3.2 抵消地球公轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動

        當(dāng)程序控制電磁離合器2的傘齒輪2與電機(jī)通過回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的輸出軸嚙合時(shí),電磁離合器1 將太陽能板左端的OO’軸脫開。這時(shí)傘齒輪2將帶動太陽能面板框架上的傘齒輪旋轉(zhuǎn),使傘齒輪1 上的絲杠旋轉(zhuǎn),絲杠的旋轉(zhuǎn)將使螺母向上運(yùn)動,通過鉸鏈A,將太陽板頂起,達(dá)到合適的角度,保證太陽光直射太陽板[5]。

        圖2 系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)

        4 極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

        (1)僅用1 臺電機(jī),成本較低。運(yùn)動所需轉(zhuǎn)過的總角度要比雙軸日照跟蹤系統(tǒng)還要小,因此更節(jié)約轉(zhuǎn)動的能量。

        (2)因?yàn)樵黾恿穗姶烹x合器的控制,在改變電機(jī)嚙合位置的同時(shí),可以增加兩個(gè)方向的鎖定和解鎖的機(jī)構(gòu)。比如電磁離合器1 在與回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置的輸出軸嚙合時(shí),可以用鎖定銷或其他裝置鎖定太陽板絲杠與螺母的運(yùn)動,當(dāng)電磁離合器2在與傘齒輪嚙合時(shí),解鎖太陽板絲杠與螺母的運(yùn)動,改為鎖定太陽板沿OO’軸的轉(zhuǎn)動,當(dāng)兩個(gè)電磁離合器都處于脫開狀態(tài)時(shí),電機(jī)不運(yùn)動,將太陽板絲杠與螺母的運(yùn)動和沿OO’軸的轉(zhuǎn)動都鎖定。這種鎖定機(jī)構(gòu)是對回轉(zhuǎn)驅(qū)動裝置自鎖能力的提高和補(bǔ)充,將極大地提高太陽能電池板抵抗強(qiáng)風(fēng)的能力。

        圖3 回轉(zhuǎn)驅(qū)動副

        (3)維護(hù)簡單方便,幾乎不需要人工的干預(yù)和調(diào)整。

        (4)可擴(kuò)展性強(qiáng),如果是一個(gè)大型的太陽能電廠,可以使用連桿機(jī)構(gòu),將每塊太陽能面板沿OO’軸的轉(zhuǎn)動都連接起來,使用一臺或幾臺大電機(jī)就可以控制整個(gè)太陽能電廠的太陽能面板的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。這樣的能耗和成本都將會更低。

        (5)采用回轉(zhuǎn)驅(qū)動副簡化了傳動的機(jī)械結(jié)構(gòu),它的效率高,有自鎖能力,降速傳動比高,大大降低了結(jié)構(gòu)成本[6]。外形見圖3。

        (6)采用兩個(gè)電磁離合器使控制更為靈活,可以分別傳動任意一軸,也可讓兩軸同時(shí)轉(zhuǎn)動,只要調(diào)整好傳動比。

        5 結(jié)束語

        極軸式二維日照跟蹤系統(tǒng)從理論上講,應(yīng)該比雙軸二維日照跟蹤系統(tǒng)更節(jié)約能源,甚至比阻尼式極軸日照跟蹤系統(tǒng)都節(jié)約電能。而且操控要比阻尼式極軸日照跟蹤系統(tǒng)更靈活,更方便,抗風(fēng)能力也更強(qiáng)。系統(tǒng)還采用了先進(jìn)的回轉(zhuǎn)驅(qū)動副,簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),降低了成本。此系統(tǒng)還有良好的擴(kuò)展性,所以這種日照跟蹤系統(tǒng)有著十分廣闊的發(fā)展前景。

        [1]王國安,米鴻濤,鄧天宏.太陽高度角和日出日落時(shí)刻太陽方位角一年變化范圍的計(jì)算[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2007,30(09):161-164.

        [2]魏秀東,盧振武,劉華.一種新型極軸跟蹤式定日鏡的研究[J].太陽能學(xué)報(bào),2007(6):35-36.

        [3]饒鵬,孫勝利,葉虎勇.兩維程控太陽跟蹤控制系統(tǒng)的研制[J].控制工程,2004(11):21-23.

        [4]朱世佳.基于嵌入式的太陽能智能追光系統(tǒng)的研究[J].電子技術(shù),2007(9):34-35.

        [5]Marlett Wentzel and Anastassios Pouris.The development impact of solar coolers:Areview of solar cooking impact research in South Africa [J].Energy Policy.2007,35(3):1909-1919.

        [6]孫茵茵,鮑劍斌,王凡.太陽能自動跟蹤研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2005(7):157-159.

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